氮化镓（GaN）行业简析
时间: 2023-11-29浏览次数：294
一、氮化嫁（GaN）定义
氮化镓材料定义：氮化镓(GaN)主要是由人工合成的一种半导体材料，禁带宽度大于2.3eV，也称为宽禁带半导体材料。
氮化镓材料为第三代半导体材料的典型代表，是研制微电子器件、光电子器件的新型材料。
第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)半导体材料，兴起于二十世纪五十年代，带动了以集成电路为核心的微电子产业的快速发展，被广泛的应用于消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)为主的化合物半导体，其主要被用于制作高频、高速以及大功率电子器件，在卫星通讯、移动 通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。砷化镓和磷化铟半导体激光器成为 光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。第三代半导体材料包括了以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带化合物半导体。第一二代半导体材料工艺已经逐渐接近物理极限，在微电子领域的摩尔定律开始逐步失效，而第三代半导体是可以超越摩尔定律的。相比于第一代及第二代半导体材料，第三代半导体材料在高温、高耐压以及承受大电流等多个方面具备明显的优势，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
在器件的性能对比上，GaN 材料以及 SiC 材料在通态电阻以及击穿电压方 面都具备较大的优势。
第三代半导体材料应用可以分为微电子以及光电子领域，具体可以细分为 电力电子器件、微波射频、可见光通信、太阳能、半导体照明、紫外光存储、 激光显示以及紫外探测器等领域，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第一代、 第二代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。
氮化镓最早是在1928年人工合成出来的材料。但它的单晶生长很难，目前氮化镓衬底晶圆仍然偏贵。商业场景（LED/射频RF/功率器件）中使用的多是异质外延片。氮化镓器件所选用的衬底主要有Si、SiC、GaN、蓝宝石等，在此基础上进行氮化镓的同质外延或异质外延。硅（或碳化硅）衬底上生长硅（或碳化硅）外延层，衬底和外延相同材质称为同质外延；在硅（或蓝宝石，碳化硅）衬底上生长氮化家外延层称为异质外延。GaN单晶衬底是外延GaN最理想的衬底，缺陷密度低，外延材料质量好。但GaN单晶生长设备要求高，控制工艺复杂，位错缺陷密度较高，良率较低，且相关技术发展较慢，GaN衬底片成本较高，应用受到限制。主流GaN衬底产品以2英寸为主，4英寸也已经实现商用。Si衬底成本低，GaN-on-Si生长速度较快，较容易扩展到8英寸晶圆；GaN-on-Si是硅基工艺，与CMOS工艺兼容性好，使GaN器件与CMOS工艺器件能很好地集成在一个芯片上，可以利用现有硅晶圆代工厂进行规模量产。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件。2.1.3 碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）GaN-on-SiC结合了SiC优异的导热性和GaN高功率密度、低损耗能力，衬底上的器件可在高电压和高漏极电流下运行，结温将随RF功率缓慢升高，RF性能更好，目前多数GaN射频器件的衬底都是SiC。受限于SiC衬底，目前尺寸仍然限制在4寸与6寸，8寸还没有推广。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。2.1.4 蓝宝石基氮化镓（GaN-on-sapphire）蓝宝石衬底通常采用MOCVD法外延生长GaN，主流尺寸为4英寸，主要应用在LED市场。在GaN器件中，衬底的选择对于器件性能起关键作用，衬底也占据了大部分成本，因而衬底是氮化镓器件降低成本的突破口。目前市场上GaN晶体管主流的衬底材料为Si、SiC和蓝宝石，GaN衬底由于工艺、成本问题尚未得到大规模商用。——在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛，支撑新基建快速发展支撑“新基建”建设的关键核心器件:氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率代表性材料，下游应用切中“新基建”中 5G 基站、 特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域高效电能转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现:第三代半导体可助力实现光伏、风电(电能生产)，直流特高压输电(电能传输)，新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源(电能使用)等领域的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。
GaN下游应用广泛，主要有光电子领域、射频电子领域和电力电子领域。
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