氮化鎵GaN晶圓的制造流程及應(yīng)用領(lǐng)域

氮化鎵主要是由人工合成的一種半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大于2.3eV，也稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料。相比“得碳化硅者得天下”，氮化鎵就顯得低調(diào)許多，1969年日本科學(xué)家Maruska等人才在藍(lán)寶石襯底表面沉積出了氮化鎵薄膜，本世紀(jì)初氮化鎵進(jìn)入了飛速發(fā)展階段。2019年，氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體的主要材料之一首次進(jìn)入主流消費(fèi)應(yīng)用，并在2020年因小米氮化鎵充電器而引發(fā)關(guān)注。

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）同屬于第三代半導(dǎo)體。

第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，適用于高電壓、高頻率場(chǎng)景。此外，它還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力，因而更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料包括氮化鎵襯底及氮化鎵外延片，原材料成本較高，進(jìn)口依賴嚴(yán)重，國產(chǎn)化率約10%。

GaN晶圓的分步制造：

第一步MOCVD生長前襯底的清洗

一名實(shí)驗(yàn)室工程師在通風(fēng)柜里檢查和清潔襯底基板。在這里，他為圖案生長或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積做準(zhǔn)備。ProNano的MOCVD反 應(yīng)器的大容量，它在一輪可以外延生長七個(gè)50毫米的圓盤，或者- 輪可以外延生長一 個(gè)150毫米的圓盤。 當(dāng)較小的圓盤的直徑增長時(shí)，并環(huán)總是利用全部容量，七個(gè)位置僅使用一到兩個(gè)圓盤。

第二步、掃描電鏡制模與表征

在可以生長納米結(jié)構(gòu)之前，干凈的圓盤在潔凈室中經(jīng)受許多工藝過程，例如沉積、旋轉(zhuǎn)和蝕刻。這在磁盤的整個(gè)表面上形成了納米尺度的空腔圖案?？涨坏拇嬖跊Q定了納米結(jié)構(gòu)將在哪里產(chǎn)性或不產(chǎn)生。

第三步、用MOCVD外延生長

襯底的圖案和晶面弓導(dǎo)生長呈現(xiàn)特定方向，使得高質(zhì)量的膜或納米結(jié)構(gòu)可以生長在襯底的頂部。襯底的所有操作都在受控的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行。

第四步、掃描電鏡進(jìn)-步表征

在外延晶體生長中，材料中會(huì)產(chǎn)生缺陷，也稱為位錯(cuò)。導(dǎo)體晶片中的位錯(cuò)越多，電轉(zhuǎn)換過程中浪費(fèi)的能量就越多，能量效率就變得越低。RISE專家與客戶合作實(shí)現(xiàn)非常規(guī)的生長方法，如納米線的聚結(jié)，這些方法在GaN材料中實(shí)現(xiàn)更低的缺陷密度方面顯示出了有希望的結(jié)果。

第五步、部件制造和特性測(cè)試

用SEM分析GaN晶體后， RISE專家用半導(dǎo)體材料制造電子元件，如肖特基二 極管或p-n二極營。進(jìn)行表征測(cè)試是為了測(cè)試材料的導(dǎo)電性、元素的成分和表面光滑度。在潔凈室中，使用平反印刷方法、蝕刻和沉積在培養(yǎng)材料頂部的金屬接觸來生產(chǎn)組件。然后，專家測(cè)元件的電容，如電流和電容，并根據(jù)擊穿電壓和泄漏電流等參數(shù)評(píng)估其性能。

氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域分析

氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)不止消費(fèi)電子領(lǐng)域。據(jù)普華有策統(tǒng)計(jì)，氮化鎵通常用于微波射頻、電力電子和光電子三大領(lǐng)域，微波射頻方向包含了 5G 通信、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等；電力電子方向包括了智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)電子等；光電子方向則包括了 LED、激光器、光電探測(cè)器等。

而其中，5G 通信與新能源汽車也將成為氮化鎵未來重點(diǎn)投入的方向。隨著汽車電動(dòng)化、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的不斷增長，在小尺寸封裝強(qiáng)大性能的加持下，GaN再次成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在5G通信領(lǐng)域，GaN可以縮小 5G 天線的尺寸和重量，又能滿足嚴(yán)格的熱規(guī)范，所以適合毫米波領(lǐng)域所需的高頻和寬帶寬。在目前正熱的汽車電子市場(chǎng)，氮化鎵也可以將汽車的車載充電器（OBC）、DC-DC轉(zhuǎn)換器做得更小更輕，從而有空間放入更多的鋰電池，提升整車?yán)m(xù)航里程。

Yole更是預(yù)測(cè)，從2022年開始預(yù)計(jì)氮化鎵以小量滲透到OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中。因此到2026年，汽車和移動(dòng)市場(chǎng)價(jià)值將超過1.55億美元，年復(fù)合成長率達(dá)185%。

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