今天小編分享的科技經驗：氮化镓，再起風雲，歡迎閲讀。
頭圖來自：視覺中國
伴随着新能源汽車的持續火熱，碳化硅（SiC）受到了更多的追捧，TechInsights 報告指出，預計碳化硅市場收益在 2022 年至 2027 年期間将以 35％的復合年增長率從 12 億美元增長到 53 億美元，到 2029 年，該市場規模将增長到 94 億美元，其中中國将占一半。
作為第三代半導體材料，碳化硅相較于硅材料，具有大禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導率、高抗輻射等特點，因而廣泛應用于新能源車的主驅逆變器、OBC、DC/DC 轉換器和非車載充電樁等關鍵電驅電控部件。
但當我們看向整個第三代半導體市場時，會發現與碳化硅類似的氮化镓（GaN），受重視程度卻稍遜一籌，但實質上氮化镓這一種材料在性能上獨具特色，具有很多碳化硅所沒有的優勢，如今東芝、羅姆等大廠們先後入場，讓這一材料成為了功率半導體新的增長點。
僅從物理特性來看，氮化镓甚至比碳化硅更适合做功率半導體的材料。有研究比較了這兩種材料的 "Baliga 性能指數（半導體材料相對于硅的性能數值，即硅為 1）"，4H- 碳化硅為 500，氮化镓為 900，效率相對更高。
此外，碳化硅的絕緣破壞電場強度（表示材料的耐電壓特性）為 2.8MV/cm，氮化镓為 3.3MV/cm，這一數值也比碳化硅來得高。一般而言，低頻工作時的功耗損失是絕緣破壞電場的三次方，高頻工作時的功耗損失是絕緣破壞電場的 2 次方，成反比例關系，所以，數值更高的氮化镓在功率損耗上更低，即工作效率比碳化硅更高。
有媒體指出，随着氮化镓耐壓能力的進一步提升，其可實現承受 1200V 超高電壓，并具備更高性價比，在新能源市場的應用優勢将會逐步推出，市場前景更為廣闊。
也就是説，未來的氮化镓有望超越碳化硅，成為第三代半導體中最閃耀的一顆星星，而有關它的技術上的更迭變化，成為了新的功率半導體風向标。
大廠湧向氮化镓
作為第三代半導體的翹楚，大量廠商力圖在 GaN 上實現技術突破以搶占市場先機，為了讓功率 GaN 達到更高的擊穿電壓（>1200V），部分技術創新已經登上舞台，例如垂直 GaN-on-GaN，以及通過使用電隔離襯底實現更多單片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的工作 -SOI 或 GaN-on-QST。
更值得大家關注的是，更多功率器件廠商加入到這場混戰當中，有關技術方面的動向尤其值得我們關注。
日本大廠東芝旗下的東芝器件及存儲在 "TECHNO-FRONTIER 2023" 上展出了最新一代碳化硅功率器件和氮化镓功率器件，其計劃于 2024 年進入氮化镓功率器件市場，這也是它首款氮化镓產品的第一次展出。
東芝首款氮化镓產品，即擊穿電壓為 650V、導通電阻為 35mΩ（典型值）的器件，該公司獨特的常開器件和共源共栅配置使得可以使用外部栅極電阻來控制開關期間的電壓變化，并确保高阈值電壓并減少故障發生的可能性。
東芝本次展示了配備氮化镓功率器件樣品的 2.5kW 圖騰柱 PFC 評估板和 2.0kW 全橋 LLC 評估板，根據該公司對各板卡進行的效率評估，峰值效率分别達到 99.4% 和 98.4%，并且 " 在所有負載下保持高效率 "，其性能相較于其他功率器件廠商并不遜色多少。
此外，羅姆半導體（ROHM）作為老牌大廠，早在 2006 年就開始研發氮化镓產品，2021 年推出了 150V GaN 器件技術，2023 年開始量產 650V 耐壓產品，可以説其在氮化镓領網域的技術積累頗為豐厚。
今年 7 月，羅姆發布了新產品 EcoGaN™ Power Stage IC "BM3G0xxMUV-LB"，該将栅極驅動器和 GaN HEMT 一體化封裝，将 FET 性能最大化，GnA 決定效率值，組合在一起實現高速開關，更加充分地發揮氮化镓器件的性能。
相比 Si MOSFET，開關損耗大幅度降低，外圍電路更簡單，僅需一個外置器件，另外，相比 Si MOSFET+ 散熱片，器件體積顯著減小。有助于應用產品的小型化。
該產品可以替代現有的 Si MOSFET，從而使器件體積減少 99%，功率損耗降低 55%，有助于減少伺服器和 AC 适配器的體積以及損耗。
氮化镓的下一步
當第三代半導體的下一步發展路線走向氮化镓之際，更多機構與廠商力圖在 GaN 上實現技術突破以搶占市場先機，為了讓功率 GaN 達到更高的擊穿電壓（>1200V），部分技術創新已經登上舞台，例如垂直型 GaN-on-GaN，以及通過使用電隔離襯底實現更多單片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的工作。
首先是垂直型 GaN-on-GaN，目前 GaN 器件分為平面型與垂直型兩種技術路線，平面型 GaN 器件通常基于非本征襯底，如 Si、SiC、藍寶石（Sapphire）等，出于成本等原因，利用異質結的平面型 GaN 器件逐漸成為了主流。
Sapphire 襯底制備技術成熟，價格低廉，化學穩定性好，高温熱穩定性好，能夠支持的襯底尺寸大，但其熱導率較低，需要良好散熱才能更好地實現應用。
Si 襯底的 GaN 制備技術工藝成熟、襯底尺寸大、晶體質量高以及與 Si 基集成電路制造工藝兼容，但缺點是晶格失配率高達 17%，導致位錯密度和應力大于其他襯底，影響器件的可靠性。
SiC 襯底與 GaN 的失配率低，在 SiC 襯底上可以獲得高質量的 GaN 基半導體，并擁有出色的導熱性能，但制備成本較高，限制了其在 GaN 功率器件領網域的應用。
綜合來看，平面型的不同襯底各自有難以改變的缺點，難以滿足大家的需求，不過随着近年來高質量單晶 GaN 襯底的商業化，與垂直型 Si 或 SiC 電力電子器件結構相近的垂直型 GaN（GaN-on-GaN）器件得到快速發展，并逐步由實驗室研究邁向產業化。
垂直型 GaN 器件相較于三種襯底的平面型，有更為明顯的優勢：
1. 電流通道在體内，不易受器件表面陷阱态的影響，動态特性較為穩定；
2. 垂直結構器件可在不增加器件面積的前提下通過增加漂移區厚度直接提升耐壓，因此與橫向結構相比更易于實現高的擊穿電壓；
3. 電流導通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度；
4. 由于電流在器件内部更為均勻，器件的熱穩定性佳；
5. 垂直結構器件易于實現雪崩特性，在工業應用中優勢明顯。
今年 5 月，歐洲 YESvGaN 聯盟在 PCIM Europe 2023 上展示了新型垂直 GaN 功率晶體管方案，其成本可降低至與硅基氮化镓器件相當。
據介紹，該聯盟正在開發一種 " 垂直型 GaN 薄膜晶體管 " 技術，該技術可以不采用氮化镓襯底，而是采用硅和藍寶石襯底，通過氮化镓異質外延生長來獲得成本優勢。簡單來説，他們在氮化镓生長後，移除器件區網域下方的硅、藍寶石襯底以及緩衝層，并從背面直接連接到 GaN 層金屬觸點。
該技術目标是使用直徑 12 英寸（300 毫米）的硅或藍寶石晶圓，來開發 650-1200V 的準垂直 GaN 功率晶體管，同時兼顧垂直結構的優點和硅基 GaN/ 藍寶石 GaN 的低成本優勢。
此外，今年 1 月，美國一家基于專有的氮化镓（GaN）加工技術開發創新型高壓功率開關元件的半導體器件公司 Odyssey Semiconductor Technologies， Inc 宣布，公司的垂直 GaN 產品樣品制作完成，并于 2023 年第一季度開始向客户發貨。
其正在美國制造工作電壓為 650V 和 1200V 的垂直氮化镓（GaN）FET 晶體管樣品。該公司表示，垂直結構将為 650 和 1200 伏器件提供更低的導通電阻和更高的品質因數，其導通電阻僅為碳化硅（SiC）的十分之一，并且工作頻率明顯更高。
據介紹，Odyssey 的垂直 GaN 方法将比碳化硅或橫向 GaN 提供比硅更大的商業優勢，垂直 GaN 在競争技術無法達到的性能和成本水平上比碳化硅具有 10 倍的優勢。
在垂直型結構之外，是更高的集成度。需要注意的是，如今 GaN 電力電子器件仍由分立元件主導，這些元件由產生開關信号的外部驅動器 IC 驅動，為了能充分利用 GaN 提供的快速開關速度，單片集成功率器件和驅動器功能也是重要的發展方向之一。
目前，絕大多數的 GaN 功率系統都是由多個晶片組成。這些氮化镓元件在整合至印刷電路板（PCB）以前都是獨立元件，制程中會產生寄生電感，降低元件性能。以驅動器為例，當多個獨立電晶體的驅動器被置于不同晶片時，驅動器輸出級與電晶體輸入級之間會產生大量的寄生電感，半橋電路中間的交換節點也會深受其害。以氮化镓（GaN）制成的高電子遷移率晶體管（HEMT）具備超高速的開關能力，如果不去抑制寄生電感，就會導致振鈴現象（ringing），也就是幹擾訊号的不良振蕩。
而這一問題的最佳解決方案，就是進行驅動器與 HEMT 的單片式整合，不僅能避免寄生現象的發生，還能最大程度地運用 GaN 元件的優異開關性能。
去年 3 月，比利時微電子研究中心（imec）氮化镓電力電子研究計劃主持人 Stefann Decoutere 探讨了在 200V GaN-on-SOI 智能功率芯片（IC）平台上，整合高性能肖特基二極管與空乏型高電子遷移率晶體管（HEMT）的成功案例。
該平台以 P 型氮化镓（GaN）HEMT 制成，此次研發成功整合多個 GaN 元件，将能協助新一代芯片擴充功能與更新性能，推進 GaN 功率 IC 的全新發展。同時提供 DC/DC 轉換器與負載點（POL）轉換器所需的開發動能，進一步縮小元件尺寸與提高運作效率。
imec GaN 電源系統開發總監 Stefaan Decoutere 表示，通過将 e 模式（增強模式）與 d 模式（耗盡模式）的 HEMT 相結合，我們能夠提高 GaN IC 的性能。通過使用集成的 d 模式 HEMT 擴展 SOI 上的功能電子模式 HEMT 平台，可以直接從 RTL 向耦合 FET 邏輯邁出一步，從而實現速度提高和低功耗。
此外，雖然合格的增強型 HEMT 和肖特基二極管功率器件已經在 100V、200V 和 650V 的工作電壓範圍内進行了演示，為大批量制造應用鋪平了道路。但由于在 200mm 晶圓上生長足夠厚的 GaN 緩衝層很困難，實現高于 650V 的工作電壓一直是一個挑戰。因此，到目前為止，SiC 仍然是 650-1200V 應用（包括例如電動汽車和可再生能源）的首選半導體。
同樣是 imec，其攜手化合物半導體材料的沉積設備供應商 Aixtron，在 200mmQST 襯底上展示了符合 1200V 應用的氮化镓緩衝層的外延生長，其硬擊穿電壓超過 1800V。
imec 的高級業務開發經理 Denis Marcon 表示：" 現在，GaN 可以成為從 20V 至 1200V 整個工作電壓範圍内的首選技術。由于可以在高產能 CMOS 工廠的大型晶圓上進行加工，基于 GaN 的電源技術與基于 SiC 的本質上昂貴的技術相比，具有明顯的成本優勢。"
實現技術突破的關鍵，是在 IIAP 計劃範圍内對復雜的外延材料疊層進行精心設計，并結合使用 200mm QST 襯底。Qromis 的 CMOS-fab 友好型 QST 襯底的熱膨脹非常匹配 GaN / AlGaN 外延層的熱膨脹，為更厚的緩衝層鋪平了道路，從而實現更高的電壓工作。
此外，還有廠商在氮化镓材料上下苦工。
據日經報道，日本最大的半導體晶圓企業信越化學工業和從事 ATM 及通信設備的 OKI 開發出了以低成本制造使用氮化镓（GaN）的功率半導體材料的技術。其制造成本較之傳統制法可降低 90%。
報告指出，信越化學工業和 OKI 開發的新技術可以在特有的基板上噴镓系氣體，使晶體生長。信越化學工業的增厚晶體技術與 OKI 的接合技術相結合，從基板上只揭下晶體。晶體放在其他基板上作為功率半導體的晶圓使用。在與在硅基板上使 GaN 晶體生長的制法相比，不需要基板與晶體之間的絕緣層。加上晶體的厚膜化，可以通 20 倍大的電流。
總結
更多的大廠，更多的技術創新，讓氮化镓成為了大家關注的焦點，就未來而言，氮化镓的前景之廣闊，比目前正火熱的碳化硅有過之而無不及。
随着下遊新應用開始逐步爆發，相關技術不斷取得突破，氮化镓器件勢必成為第三代半導體中最耀眼的一顆新星，成為降本增效、可持續綠色發展的關鍵技術之一。
掌握氮化镓，成為了當前功率市場中大部分廠商的希望，而這背後，就是無數日夜的技術打磨與試錯，我們相信，奮起直追的國内廠商能在氮化镓之上，尋找到新的突破和增長點。
