第三代半導(dǎo)體最具潛質(zhì)的氮化鎵材料

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2022-08-26 19:11:30 3

什么是GaN 氮化鎵？

GaN：

由鎵（原子序數(shù) 31) 和氮（原子序數(shù) 7) 結(jié)合而來(lái)的化合物。它是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

禁帶：

是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，GaN 的禁帶寬度為 3.4eV，是硅的 3 倍多，所以說(shuō) GaN 擁有寬禁帶特性（WBG）。

禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場(chǎng)。

GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細(xì)窄的耗盡區(qū)，從而可以開(kāi)發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構(gòu)，而載流子濃度直接決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。

中國(guó)在氮化鎵技術(shù)上起步雖晚發(fā)力強(qiáng)勁

智慧芽數(shù)據(jù)顯示，全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請(qǐng)16萬(wàn)多件專(zhuān)利，有效專(zhuān)利6萬(wàn)多件（如圖3）。其中，保護(hù)類(lèi)型以發(fā)明專(zhuān)利為主，行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高。報(bào)告指出，該領(lǐng)域美日技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，中美日市場(chǎng)較熱。

圖片來(lái)源：《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵技術(shù)洞察報(bào)告》

從技術(shù)發(fā)展的歷史演進(jìn)來(lái)看，20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)氮化鎵相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)，1994年之前尚處于探索階段，參與企業(yè)較少；1994-2005年進(jìn)入快速發(fā)展期，主要驅(qū)動(dòng)力是LED照明商用化；2010年開(kāi)始，日本住友、日立等對(duì)氮化鎵襯底大尺寸的突破和進(jìn)一步產(chǎn)品化，促進(jìn)了相關(guān)專(zhuān)利量的進(jìn)一步快速增長(zhǎng)；自2014年起，專(zhuān)利申請(qǐng)量總體趨于穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢(shì)，年專(zhuān)利申請(qǐng)量基本維持在9000件以上，在這段時(shí)期，可見(jiàn)光LED熱度減退，GaN基FET器件、功率/射頻器件、MicroLED等器件熱度上升。

從氮化鎵領(lǐng)域全球技術(shù)布局來(lái)看，中國(guó)、美國(guó)和日本為氮化鎵技術(shù)熱點(diǎn)布局的市場(chǎng)。其中，美國(guó)和日本起步較早，起步于20世紀(jì)70年代初，而中國(guó)起步雖晚，但后起發(fā)力強(qiáng)勁（如圖4）。值得注意的是，目前全球的氮化鎵技術(shù)主要來(lái)源于日本。

圖片來(lái)源：《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵技術(shù)洞察報(bào)告》

技術(shù)發(fā)展難題

毫無(wú)疑問(wèn)，氮化鎵已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，但不可否認(rèn)的是，就像碳化硅一樣，氮化鎵也存在著種種技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題。

筆者通過(guò)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前氮化鎵材料的發(fā)展難題主要有以下幾個(gè)方面。

一是襯底材料問(wèn)題。襯底與薄膜晶格的相配程度影響GaN 薄膜質(zhì)量好壞。一方面，在溫州大學(xué)的一篇《氮化鎵的合成制備及前景分析》的論文中提到，目前使用最多的襯底是藍(lán)寶石(Al2O3)，此類(lèi)材料由于制備簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，熱穩(wěn)定性*，且可以用于生長(zhǎng)大尺寸的薄膜而被廣泛使用，但是由于其晶格常數(shù)和線膨脹系數(shù)都與氮化鎵相差較大，制備出的氮化鎵薄膜可能會(huì)存在裂紋等缺陷。另一方面，也有資料顯示，由于襯底單晶沒(méi)有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當(dāng)高，而且氮化鎵極性太大，難以通過(guò)高摻雜來(lái)獲得較好的金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸，因此工藝制造較復(fù)雜。

二是氮化鎵薄膜制備問(wèn)題?！兜壍暮铣芍苽浼扒熬胺治觥分羞€提到了比較傳統(tǒng)的GaN 薄膜制備方法有MOCVD（金屬有機(jī)物氣相沉積法）、MBE 法（分子束外延法）和HVPE（氫化物氣相外延法）。其中，采用MOCVD 法制備的產(chǎn)量大，生長(zhǎng)周期短，適合用于大批量生產(chǎn)，但生長(zhǎng)完畢后需要進(jìn)行退火處理，最后得到的薄膜可能會(huì)存在裂紋，會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量；MBE法只能用于一次制備少量的GaN薄膜，尚不能用于大規(guī)模生產(chǎn)；HVPE法生成的GaN晶體質(zhì)量比較好，且在較高的溫度下生長(zhǎng)速度快，但高溫反應(yīng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)成本和技術(shù)要求都比較高。

三是GaN籽晶獲得問(wèn)題。直接采用氨熱方法培育一個(gè)兩英寸的籽晶需要幾年時(shí)間，因此如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的GaN籽晶也是難題所在。

此外，在2020年semicon taiwan 舉辦的“策略材料*論壇”上，臺(tái)灣交通大學(xué)副校長(zhǎng)張翼、臺(tái)灣工研院電子與光電系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)吳志毅等也指出，目前氮化鎵有2個(gè)技術(shù)上的難題，其一是以目前生長(zhǎng)的基板碳化硅來(lái)說(shuō)，尺寸上尚無(wú)法突破6英寸晶圓的大小，同時(shí)碳化硅的取得成本較高，導(dǎo)致目前既無(wú)法大量生產(chǎn)、價(jià)格也壓不下來(lái)；第二個(gè)則是要如何讓氮化鎵能在硅晶圓上面生長(zhǎng)、并且擁有高良率，是業(yè)界要突破的技術(shù)，如果可以克服并運(yùn)用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，氮化鎵未來(lái)的價(jià)格跟產(chǎn)量就能有所改善。

由此可見(jiàn)，要想氮化鎵產(chǎn)能提升、成本控制并形成完全的產(chǎn)業(yè)鏈，所面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)不容小覷。

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