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深挖 GaN 潛力,中國企業(yè)別掉隊

作者: 時間:2023-04-28 來源:半導體產(chǎn)業(yè)縱橫 收藏

(GaN)是一種寬禁帶半導體材料,其禁帶寬度達到 3.4eV,是最具代表性的第三代半導體材料。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202304/446123.htm

除了更寬的禁帶寬度,還具備更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率,以及更優(yōu)的抗輻照能力,這些特性對于電力電子、射頻和光電子應用有獨特優(yōu)勢。

GaN 產(chǎn)業(yè)上游主要包括襯底與外延片的制備,下游是 GaN 芯片元器件的設計和制造。襯底的選擇對于器件性能至關(guān)重要,襯底也占據(jù)了大部分成本,因而襯底制備是降低 GaN 器件成本的突破口。

襯底

GaN 單晶襯底以 2-4 英寸為主,4 英寸已實現(xiàn)商用,6 英寸樣本正開發(fā)。GaN 單晶襯底的主要制備方法有氫化物氣相外延法(HVPE)、氨熱法和助熔劑法。

HVPE 方法生長速率快,易得到大尺寸晶體,是目前商業(yè)上提供 GaN 單晶襯底的主要方法,其缺點是成本高、晶體位錯密度高、曲率半徑小,且會造成環(huán)境污染。

氨熱法生長技術(shù)結(jié)晶質(zhì)量高,可以在多個籽晶上生長,易規(guī)?;a(chǎn),可以顯著降低成本,缺點是生長壓力較高,生長速率低。

助熔劑法生長條件相對溫和,對生長裝備要求低,可以生長出大尺寸的 GaN 單晶,缺點是易于自發(fā)成核形成多晶,難以生長出較厚的 GaN 晶體。

利用各種生長方法優(yōu)勢互補解決單一生長方法存在的問題是解決 GaN 單晶晶體質(zhì)量、成本和規(guī)模量產(chǎn)的有效途徑。2021 年,三菱化學宣布采用低壓酸性氨熱法(LPAAT)開發(fā)出 4 英寸 GaN 單晶襯底,且晶體缺陷僅為普通 GaN 襯底的 1/00-1/1000。三菱化學于 2022 年推出 4 英寸 GaN 單晶襯底。

開發(fā)生長尺寸更大、良率更高的 GaN 晶體制備方法將是 GaN 器件降本增效的關(guān)鍵,是能否在諸多下游應用領(lǐng)域滲透放量的關(guān)鍵。

目前,GaN 材料主要有兩種襯底技術(shù),分別是 (硅基)和 C(碳化硅基氮化鎵)。另外,還有 GaN-on-sapphire 和 GaN-on-GaN,不過這兩種襯底的應用市場很有限。

C 射頻器件可應用于 5G 宏基站、衛(wèi)星通信、微波雷達、航空航天等軍事/民用領(lǐng)域;GaN-on-Si 可制成功率器件,可在大功率快充充電器、新能源車、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速滲透;GaN-on-sapphire 和 GaN-on-GaN 可制成光電器件,GaN 光電器件在 MiniLED、MicroLED、傳統(tǒng) LED 照明領(lǐng)域應用優(yōu)勢突出。

在性能方面,GaN-on-SiC 相對更好,但價格明顯高于 GaN-on-Si。GaN-on-SiC 結(jié)合了 SiC 優(yōu)異的導熱性,以及 GaN 的高功率密度、低損耗能力,與 Si 相比,SiC 是一種非常「耗散」的襯底,此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運行,結(jié)溫將隨射頻功率而緩慢升高,因此,其射頻性能更好,是射頻應用的理想材料。在相同的耗散條件下,SiC 器件的可靠性和使用壽命更好。另外,SiC 具有高電阻特性:這非常有利于毫米波傳輸,這在設計帶有大型匹配電路的高頻 MMIC 時很有價值。但是,SiC 襯底仍然限制在 4 英寸與 6 英寸晶圓,8 英寸的還沒有推廣。

GaN-on-SiC 和 GaN-on-Si 應用的發(fā)展趨勢(來源:YOLE)

目前,業(yè)界多數(shù)商用 RF GaN 器件采用 GaN-on-SiC 襯底。

SiC 獨特的電子和熱性能使其非常適合高功率和高頻半導體器件, 其性能遠超過 Si 或 GaAs。GaN-on-SiC 技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢包括降低開關(guān)損耗、更高的功率密度、更好的散熱和更高的帶寬容量。在系統(tǒng)層面,可以實現(xiàn)高度緊湊的解決方案,大大提高功率效率,降低成本。

與 GaN-on-SiC 相比,GaN-on-Si 最大的優(yōu)勢就是襯底成本低,此外,GaN-on-Si 生長速度較快,也較容易擴展到 8 英寸晶圓。雖然 GaN-on-Si 性能略遜于 GaN-on-SiC,但目前工藝水平制造的器件已能達到 LDMOS 原始功率密度的 5-8 倍,在高于 2GHz 的頻率工作時,成本與同等性能的 LDMOS 相差不大。還有一點很重要,那就是 GaN-on-Si 是硅基技術(shù),與 CMOS 工藝兼容性好,使 GaN 器件與 CMOS 工藝器件能很好地集成在一個芯片上,可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠已有的規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢,實現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模量產(chǎn)和快速上市。這使得 GaN-on-Si 成為市場的潛力股,未來有望大量導入 5G 基站用射頻 PA。

從應用發(fā)展角度來看,5G 通信對射頻元器件的需求正在快速增加過程中,需要大批量、低成本的 GaN 射頻芯片,而這也給 GaN-on-Si 提供了發(fā)展契機。

目前來看,GaN-on-Si 商用仍處于起步階段,但基于該材料制造的射頻 PA 憑借高帶寬和小尺寸吸引了智能手機 OEM。隨著關(guān)鍵廠商的技術(shù)進步,一些低于 6GHz 的 5G 手機很可能很快采用。

隨著晶圓代工廠的進入,以及與新興 GaN-on-Si 功率電子器件產(chǎn)業(yè)的協(xié)同效應正在加速其 RF 應用發(fā)展。有統(tǒng)計顯示,在手持設備、國防和 5G 電信基礎設施的推動下,預計到 2026 年,GaN-on-Si 器件市場復合年增長率將達到 86%。

外延片

由于 GaN 的熔點很高,且飽和蒸汽壓較高,在自然界無法以單晶形式存在,必須采用外延法進行制備。MOCVD(金屬有機物氣相沉積法),MBE(分子束外延法),HVPE(氫化物氣相外延法)等是比較傳統(tǒng)的 GaN 外延片制備方法。

MOCVD 工藝以三甲基鎵作為鎵源,氨氣(NH3)作為氮源,以藍寶石 (Al2O3) 作為襯底,并用氫氣和氮氣的混合氣體作為載氣,將反應物載入反應腔內(nèi),加熱到一定溫度,使其發(fā)生反應,在襯底表面上吸附、成核、生長,最終形成一層 GaN 單晶薄膜。采用 MOCVD 法制備外延片的產(chǎn)量大,生長周期短,適合用于大批量生產(chǎn)。

MBE 法制備 GaN 與 MOCVD 法類似,主要區(qū)別在于鎵源的不同。MBE 法的鎵源通常采用 Ga 的分子束,用該方法可以在相對低的溫度下實現(xiàn) GaN 的生長,一般為 700 ℃左右。但外延層較厚的膜反應時間較長,在生產(chǎn)中發(fā)揮的效率欠佳,因此,該方法尚不能用于大規(guī)模生產(chǎn)。

HVPE 法與上述兩種方法的區(qū)別在于鎵源,通常以氯化物 GaCl3 為鎵源,NH3 為氮源,在襯底上以 1000 ℃左右的溫度生長出 GaN 晶體。此方法生成的 GaN 晶體質(zhì)量較好,高溫下生長速度快,但高溫反應對設備、成本與技術(shù)要求都比較高。

產(chǎn)業(yè)格局

從 GaN 產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)來看,歐美日企業(yè)發(fā)展較早,技術(shù)積累、專利申請數(shù)量、規(guī)模制造能力等方面均處于絕對優(yōu)勢。中國在自主替代大趨勢下,目前在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有所涉足,在政策支持下已在技術(shù)與生產(chǎn)方面取得一定進步。

全球范圍內(nèi),無論是上游的襯底和外延片,還是中下游的芯片設計、制造,GaN 產(chǎn)業(yè)鏈大都被美日歐的龍頭企業(yè)把持著,如日本住友、羅姆,美國的 Wolfspeed(Cree 改名后的)、II-VI,德國英飛凌,韓國 LG、三星等。

GaN-on-SiC 襯底方面,Wolfspeed 等傳統(tǒng)大廠都傾向于采用該方案,GaN-on-Si 方面,目前來看,MACOM,Ommic 等國際廠商在重點研發(fā)基站用 GaN-on-Si 射頻和功率芯片(包括 Sub-6GHz 和毫米波兩大頻段)。特別是 MACOM,該公司是 GaN-on-Si 工藝的主要倡導者。

在射頻應用方面,Wolfspeed 擁有最強的實力,在射頻應用的 GaN HEMT 專利競爭中,尤其在 GaN-on-SiC 技術(shù)方面,該公司處于領(lǐng)先地位。英特爾和 MACOM 是最活躍的射頻 GaN 專利申請者,主要聚焦在 GaN-on-Si 技術(shù)領(lǐng)域。

意法半導體和 MACOM 聯(lián)合研制出了 RF GaN-on-Si 原型芯片。據(jù)悉,意法半導體制造的 RF GaN-on-Si 原型晶圓和相關(guān)器件已達到成本和性能目標,完全能夠與市場上現(xiàn)有的 LDMOS 和 GaN-on-SiC 技術(shù)展開有效競爭?,F(xiàn)在,這些原型已經(jīng)進入認證測試和量產(chǎn)階段。該公司正在和 MACOM 研究如何加大投入力度,以加快 RF GaN-on-Si 產(chǎn)品上市。

今年 3 月,英飛凌以 8.3 億美元(57 億人民幣)收購了 GaN Systems 公司,并斥資 20 億歐元擴充其位于馬來西亞居林和奧地利菲拉赫晶圓廠的 GaN 芯片產(chǎn)能。英飛凌功率和傳感器系統(tǒng)總裁懷特表示,英飛凌特別看好 GaN,該公司預測,到 2027 年,GaN 芯片市場將以每年 56% 的速度增長。

在中國大陸地區(qū),GaN 產(chǎn)業(yè)還處于起步階段。本土 IDM 代表企業(yè)有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等,F(xiàn)abless 企業(yè)主要有華為海思、安譜隆等,同時,海威華芯和三安集成可提供 GaN 芯片晶圓代工服務。

在襯底材料方面,天岳先進、三安光電、天科合達、英諾賽科等中國本土企業(yè)在全球范圍內(nèi)的合計市占率比較低,在 10% 左右,三安光電,英諾賽科等廠商在重點研發(fā)基站用 GaN-on-Si 射頻和功率芯片(包括 Sub-6GHz 和毫米波兩大頻段)。外延片方面,代表企業(yè)包括蘇州晶湛、聚能晶源和聚燦光電。GaN 射頻 HEMT 相關(guān)專利方面,中國的海威華芯、三安集成和華進創(chuàng)威等開始涉足,爭取在國際大廠把持的 GaN 專利領(lǐng)域分得一杯羹。



關(guān)鍵詞: GaN-on-Si 氮化鎵

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