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第三代半導體最具潛質的氮化鎵材料

發(fā)布時間:2022-08-26作者來源:薩科微瀏覽:3424


什么是GaN 氮化鎵?

GaN:

由鎵(原子序數 31) 和氮(原子序數 7) 結合而來的化合物。它是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結構的寬禁帶半導體材料。
 

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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 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。

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

中國在氮化鎵技術上起步雖晚發(fā)力強勁

智慧芽數據顯示,全球在氮化鎵產業(yè)已申請16萬多件專利,有效專利6萬多件(如圖3)。其中,保護類型以發(fā)明專利為主,行業(yè)技術創(chuàng)新度比較高。報告指出,該領域美日技術實力較強,中美日市場較熱。

 

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圖片來源:《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》

從技術發(fā)展的歷史演進來看,20世紀70年代初出現氮化鎵相關專利申請,1994年之前尚處于探索階段,參與企業(yè)較少;1994-2005年進入快速發(fā)展期,主要驅動力是LED照明商用化;2010年開始,日本住友、日立等對氮化鎵襯底大尺寸的突破和進一步產品化,促進了相關專利量的進一步快速增長;自2014年起,專利申請量總體趨于穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢,年專利申請量基本維持在9000件以上,在這段時期,可見光LED熱度減退,GaN基FET器件、功率/射頻器件、MicroLED等器件熱度上升。

從氮化鎵領域全球技術布局來看,中國、美國和日本為氮化鎵技術熱點布局的市場。其中,美國和日本起步較早,起步于20世紀70年代初,而中國起步雖晚,但后起發(fā)力強勁(如圖4)。值得注意的是,目前全球的氮化鎵技術主要來源于日本。

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圖片來源:《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》

技術發(fā)展難題

毫無疑問,氮化鎵已經成為半導體產業(yè)的重要發(fā)展方向,但不可否認的是,就像碳化硅一樣,氮化鎵也存在著種種技術難點問題。

筆者通過資料發(fā)現,當前氮化鎵材料的發(fā)展難題主要有以下幾個方面。

一是襯底材料問題。襯底與薄膜晶格的相配程度影響GaN 薄膜質量好壞。一方面,在溫州大學的一篇《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寶石(Al2O3),此類材料由于制備簡單,價格較低,熱穩(wěn)定性良好,且可以用于生長大尺寸的薄膜而被廣泛使用,但是由于其晶格常數和線膨脹系數都與氮化鎵相差較大,制備出的氮化鎵薄膜可能會存在裂紋等缺陷。另一方面,也有資料顯示,由于襯底單晶沒有解決,異質外延缺陷密度相當高,而且氮化鎵極性太大,難以通過高摻雜來獲得較好的金屬-半導體的歐姆接觸,因此工藝制造較復雜。

二是氮化鎵薄膜制備問題?!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 法制備的產量大,生長周期短,適合用于大批量生產,但生長完畢后需要進行退火處理,最后得到的薄膜可能會存在裂紋,會影響產品的質量;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;HVPE法生成的GaN晶體質量比較好,且在較高的溫度下生長速度快,但高溫反應對生產設備,生產成本和技術要求都比較高。

三是GaN籽晶獲得問題。直接采用氨熱方法培育一個兩英寸的籽晶需要幾年時間,因此如何獲得高質量、大尺寸的GaN籽晶也是難題所在。

此外,在2020年semicon taiwan 舉辦的“策略材料高峰論壇”上,臺灣交通大學副校長張翼、臺灣工研院電子與光電系統(tǒng)研究所所長吳志毅等也指出,目前氮化鎵有2個技術上的難題,其一是以目前生長的基板碳化硅來說,尺寸上尚無法突破6英寸晶圓的大小,同時碳化硅的取得成本較高,導致目前既無法大量生產、價格也壓不下來;第二個則是要如何讓氮化鎵能在硅晶圓上面生長、并且擁有高良率,是業(yè)界要突破的技術,如果可以克服并運用現有的基礎設施,氮化鎵未來的價格跟產量就能有所改善。

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



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