氮化鎵（GaN）行業(yè)簡析
時間: 2023-11-29瀏覽次數(shù)：286
一、氮化嫁（GaN）定義
氮化鎵材料定義：氮化鎵(GaN)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。
氮化鎵材料為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料。
第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅(Si)、鍺(Ge)半導(dǎo)體材料，興起于二十世紀(jì)五十年代，帶動了以集成電路為核心的微電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信、光伏、軍事以及航空航天等多個領(lǐng)域。第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為主的化合物半導(dǎo)體，其主要被用于制作高頻、高速以及大功率電子器件，在衛(wèi)星通訊、移動 通訊以及光通訊等領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。砷化鎵和磷化銦半導(dǎo)體激光器成為 光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，同時砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動通信的新產(chǎn)業(yè)。第三代半導(dǎo)體材料包括了以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶化合物半導(dǎo)體。第一二代半導(dǎo)體材料工藝已經(jīng)逐漸接近物理極限，在微電子領(lǐng)域的摩爾定律開始逐步失效，而第三代半導(dǎo)體是可以超越摩爾定律的。相比于第一代及第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在高溫、高耐壓以及承受大電流等多個方面具備明顯的優(yōu)勢，因而更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
在器件的性能對比上，GaN 材料以及 SiC 材料在通態(tài)電阻以及擊穿電壓方 面都具備較大的優(yōu)勢。
二、氮化嫁技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域
第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用可以分為微電子以及光電子領(lǐng)域，具體可以細(xì)分為 電力電子器件、微波射頻、可見光通信、太陽能、半導(dǎo)體照明、紫外光存儲、 激光顯示以及紫外探測器等領(lǐng)域，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，與第一代、 第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。
氮化鎵最早是在1928年人工合成出來的材料。但它的單晶生長很難，目前氮化鎵襯底晶圓仍然偏貴。商業(yè)場景（LED/射頻RF/功率器件）中使用的多是異質(zhì)外延片。氮化鎵器件所選用的襯底主要有Si、SiC、GaN、藍(lán)寶石等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行氮化鎵的同質(zhì)外延或異質(zhì)外延。硅（或碳化硅）襯底上生長硅（或碳化硅）外延層，襯底和外延相同材質(zhì)稱為同質(zhì)外延；在硅（或藍(lán)寶石，碳化硅）襯底上生長氮化家外延層稱為異質(zhì)外延。GaN單晶襯底是外延GaN最理想的襯底，缺陷密度低，外延材料質(zhì)量好。但GaN單晶生長設(shè)備要求高，控制工藝復(fù)雜，位錯缺陷密度較高，良率較低，且相關(guān)技術(shù)發(fā)展較慢，GaN襯底片成本較高，應(yīng)用受到限制。主流GaN襯底產(chǎn)品以2英寸為主，4英寸也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。Si襯底成本低，GaN-on-Si生長速度較快，較容易擴(kuò)展到8英寸晶圓；GaN-on-Si是硅基工藝，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)有硅晶圓代工廠進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)。GaN-on-Si外延片主要用于制造電力電子器件。2.1.3 碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）GaN-on-SiC結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性和GaN高功率密度、低損耗能力，襯底上的器件可在高電壓和高漏極電流下運(yùn)行，結(jié)溫將隨RF功率緩慢升高，RF性能更好，目前多數(shù)GaN射頻器件的襯底都是SiC。受限于SiC襯底，目前尺寸仍然限制在4寸與6寸，8寸還沒有推廣。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射頻器件。2.1.4 藍(lán)寶石基氮化鎵（GaN-on-sapphire）藍(lán)寶石襯底通常采用MOCVD法外延生長GaN，主流尺寸為4英寸，主要應(yīng)用在LED市場。在GaN器件中，襯底的選擇對于器件性能起關(guān)鍵作用，襯底也占據(jù)了大部分成本，因而襯底是氮化鎵器件降低成本的突破口。目前市場上GaN晶體管主流的襯底材料為Si、SiC和藍(lán)寶石，GaN襯底由于工藝、成本問題尚未得到大規(guī)模商用。——在功率器件、射頻器件、顯示領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，支撐新基建快速發(fā)展支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件:氮化鎵是目前能同時實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率代表性材料，下游應(yīng)用切中“新基建”中 5G 基站、 特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領(lǐng)域高效電能轉(zhuǎn)換，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn):第三代半導(dǎo)體可助力實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電(電能生產(chǎn))，直流特高壓輸電(電能傳輸)，新能源汽車、工業(yè)電源、機(jī)車牽引、消費(fèi)電源(電能使用)等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換，推動能源綠色低碳發(fā)展。
GaN下游應(yīng)用廣泛，主要有光電子領(lǐng)域、射頻電子領(lǐng)域和電力電子領(lǐng)域。
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