?GaN半導(dǎo)體技術(shù)及其在電子領(lǐng)域的前景

環(huán)保意識的提高與新能源電動汽車（BEVs）需求的增長，推動了對更優(yōu)質(zhì)、無缺陷功率半導(dǎo)體解決方案的研發(fā)。而寬禁帶功率半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為此提供了全新可能。然而，如何在生產(chǎn)過程中滿足嚴(yán)苛的質(zhì)量要求并盡可能保證產(chǎn)品的100%可靠性，依然是個(gè)待解的難題。在功率集成電路（IC）制造過程中，除了需兼顧產(chǎn)品可靠性外，降低芯片成本以吸引更多消費(fèi)者購買電動汽車，也成為了當(dāng)前的一大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些問題，制造商已開始從現(xiàn)有的150mm晶圓轉(zhuǎn)向更大的200mm晶圓。

目前，GaN在智能手機(jī)的快速充電器中的應(yīng)用帶來的收益巨大。據(jù)Yole Développement的最新研究報(bào)告數(shù)值預(yù)測，GaN在消費(fèi)者手機(jī)充電市場上占有的份額預(yù)計(jì)在2026年將達(dá)到5.97億美元，2020-2026年CAGR達(dá)72%。最近Apple發(fā)布了其140W MagSafe充電器，引發(fā)了行業(yè)對GaN解決方案在快速充電市場的關(guān)注，預(yù)計(jì)其應(yīng)用滲透率到2025年將達(dá)到52%。

當(dāng)前所有GaN電源設(shè)備主要是橫向的而非垂直的。當(dāng)應(yīng)用中需要更高的電壓時(shí)，SiC可能更適合。因?yàn)?，要增加擊穿電壓，就需要相?yīng)增加晶片尺寸和表面厚度。然而，升級技術(shù)后的應(yīng)用可能性已在逐步展現(xiàn)。Imec和AIXTRON成功研發(fā)出在200mm QST襯底上的氮化鎵緩沖層，使其可應(yīng)用于1200V，并成功使擊穿電壓超過1800V。如果這項(xiàng)技術(shù)的可行性獲得了證實(shí)，將會解鎖在電動汽車領(lǐng)域利用高電壓氮化鎵應(yīng)用的可能性。

現(xiàn)階段GaN應(yīng)用研發(fā)中，橫向GaN HEMT的軟擊穿和柵極泄露電流問題依舊比較突出。這也是部分研發(fā)機(jī)構(gòu)將重點(diǎn)放在低電流和約650伏特電壓的原因。對于更高電壓(> 1,200V)，可能需要尋求其他新興襯底作支持，例如SOI，QST，或者允許垂直GaN器件的整塊GaN。然而，這些新襯底的供應(yīng)鏈還處在開發(fā)階段，成本較高且產(chǎn)量較低，未來普及還需時(shí)間。

在硅基底上沉積氮化鎵層的過程中，由于硅和氮化鎵之間的晶格和熱膨脹系數(shù)不匹配，可能會在氮化鎵層中產(chǎn)生致命的缺陷。為了減小這種不匹配的影響，這需要建立一種復(fù)雜的緩沖層和外延工藝。外延工藝的開發(fā)常與制造商的內(nèi)部流程密切相關(guān)，其復(fù)雜性不言而喻。產(chǎn)業(yè)目前正在從傳統(tǒng)的六英寸平臺轉(zhuǎn)向八英寸平臺以滿足價(jià)格壓力和高需求量，這無疑需要更多的外延研發(fā)以確保產(chǎn)品的均勻性和良品率。

Imec和AIXTRON的研究人員在200mm的QST襯底上成功地培育了適用于1200V應(yīng)用的氮化鎵緩沖層，并使硬擊穿電壓超過了1800V。這一成果為高電壓氮化鎵應(yīng)用在電力電子領(lǐng)域打開了一道新的大門，這在之前只能通過使用碳化硅技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

如同在大多數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)用中一樣，當(dāng)前主要的橫向GaN HEMT容易發(fā)生表面擊穿和柵極泄露電流，這使一些參與者將重點(diǎn)放在低電流和零到650伏特的電壓上。關(guān)于更高電壓（> 1,200V）的應(yīng)用，新的襯底材料，如SOI和QST，可能具有更大的吸引力。與硅等材料相比，氮化鎵在測試、檢查以及可靠性方面的參考數(shù)據(jù)相對較少。然而，由于氮化鎵半導(dǎo)體的應(yīng)用已得到證實(shí)，對其在工藝過程中所需覆蓋的主要難關(guān)的認(rèn)識也在持續(xù)提高。測試方法也正朝著進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，在未來可望對應(yīng)用于更高電壓場合的器件具有更好的可靠的判斷能力。

當(dāng)前各種氮化鎵技術(shù)正在加速向200mm過渡，以期降低生產(chǎn)成本，使氮化鎵寬禁帶功率半導(dǎo)體技術(shù)在混合型和全電動汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品、智能手機(jī)以及其他產(chǎn)品的制造中得到廣泛應(yīng)用。然而，制造者們是否能適當(dāng)?shù)亟档统杀荆⒈７€(wěn)較新版本的氮化鎵技術(shù)的制程穩(wěn)定性，仍是一項(xiàng)未知挑戰(zhàn)。