永安期货

随同着新能源汽车的延续火热，碳化硅（SiC）受到了更多的追捧，TechInsights讲述指出，预计碳化硅市场收益在2022年至2027年时代将以35％的复合年增进率从12亿美元增进到53亿美元，到2029年，该市场规模将增进到94亿美元，其中中国将占一半。

作为第三代半导体质料，碳化硅相较于硅质料，具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速率、高热导率、高抗辐射等特点，因而普遍应用于新能源车的主驱逆变器、OBC、DC/DC 转换器和非车载充电桩等要害电驱电控部件。

但当我们看向整个第三代半导体市场时，会发现与碳化硅类似的氮化镓（GaN），受重视水平却稍逊一筹，但实质上氮化镓这一种质料在性能上独具特色，具有许多碳化硅所没有的优势，现在东芝、罗姆等大厂们先后入场，让这一质料成为了功率半导体新的增进点。

仅从物理特征来看，氮化镓甚至比碳化硅更适合做功率半导体的质料。有研究对照了这两种质料的“Baliga性能指数（半导体质料相对于硅的性能数值，即硅为1）”，4H-碳化硅为500，氮化镓为900，效率相对更高。

此外，碳化硅的绝缘损坏电场强度（示意质料的耐电压特征）为2.8MV/cm，氮化镓为3.3MV/cm，这一数值也比碳化硅来得高。一样平常而言，低频事情时的功消耗失是绝缘损坏电场的三次方，高频事情时的功消耗失是绝缘损坏电场的2次方，成反比例关系，以是，数值更高的氮化镓的在功率消耗上更低，即事情效率比碳化硅更高。

有媒体指出，随着氮化镓耐压能力的进一步提升，其可实现蒙受1200V超高电压，并具备更高性价比，在新能源市场的应用优势将会逐步推出，市场远景更为广漠。

也就是说，未来的氮化镓有望逾越碳化硅，成为第三代半导体中最闪灼的一颗星星，而有关它的手艺上的更迭转变，成为了新的功率半导体风向标。

大厂涌向氮化镓

作为第三代半导体的翘楚，大量厂商力争在GaN上实现手艺突破以抢占市场先机，为了让功率 GaN 到达更高的击穿电压（>1200V），部门手艺创新已经登上舞台，例如垂直 GaN-on-GaN，以及通过使用电隔离衬底实现更多单片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的事情-SOI 或 GaN-on-QST。

更值得人人关注的是，更多功率器件厂商加入到这场混战当中，有关手艺方面的动向尤其值得我们关注。

日本大厂东芝旗下的东芝器件及存储在“TECHNO-FRONTIER 2023”上展出了最新一代碳化硅功率器件和氮化镓功率器件，其设计于2024年进入氮化镓功率器件市场，这也是它*氮化镓产物的*次展出。

东芝*氮化镓产物，即击穿电压为650V、导通电阻为35mΩ（典型值）的器件，该公司怪异的常开器件和共源共栅设置使得可以使用外部栅极电阻来控制开关时代的电压转变，并确保高阈值电压并削减故障发生的可能性。

东芝本次展示了配备氮化镓功率器件样品的2.5kW图腾柱PFC评估板和2.0kW全桥LLC评估板，凭证该公司对各板卡举行的效率评估，峰值效率划分到达99.4%和98.4%，而且“在所有负载下保持高效率”，其性能相较于其他功率器件厂商并不逊色若干。

此外，罗姆半导体（ROHM）作为老牌大厂，早在2006年就最先研发氮化镓产物，2021年推出了150V GaN器件手艺，2023年最先量产650V耐压产物，可以说其在氮化镓领域的手艺积累颇为丰盛。

今年7月，罗姆公布了新产物EcoGaN™ Power Stage IC “BM3G0xxMUV-LB”，该将栅极驱动器和GaN HEMT一体化封装，将FET性能*化，GnA决议效率值，组合在一起实现高速开关，加倍充实地施展氮化镓器件的性能。

相比Si MOSFET，开关消耗大幅度降低，外围电路更简朴，仅需一个外置器件，另外，相比Si MOSFET 散热片，器件体积显著减小。有助于应用产物的小型化。

该产物可以替换现有的Si MOSFET，从而使器件体积削减99%，功率消耗降低55%，有助于削减服务器和AC适配器的体积以及消耗。

氮化镓的下一步

当第三代半导体的下一步生长蹊径走向氮化镓之际，更多机构与厂商力争在GaN上实现手艺突破以抢占市场先机，为了让功率 GaN 到达更高的击穿电压（>1200V），部门手艺创新已经登上舞台，例如垂直型 GaN-on-GaN，以及通过使用电隔离衬底实现更多单片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的事情。

首先是垂直型 GaN-on-GaN，现在GaN器件分为平面型与垂直型两种手艺蹊径，平面型GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石（Sapphire）等，出于成本等缘故原由，行使异质结的平面型GaN器件逐渐成为了主流。

Sapphire衬底制备手艺成熟，价钱低廉，化学稳固性好，高温热稳固性好，能够支持的衬底尺寸大，但其热导率较低，需要优越散热才气更好地实现应用。

Si衬底的GaN制备手艺工艺成熟、衬底尺寸大、晶体质量高以及与Si基集成电路制造工艺兼容，但瑕玷是晶格失配率高达17%，导致位错密度和应力大于其他衬底，影响器件的可靠性。

SiC衬底与GaN的失配率低，在SiC衬底上可以获得高质量的GaN基半导体，并拥有精彩的导热性能，但制备成本较高，限制了其在GaN功率器件领域的应用。

综合来看，平面型的差异衬底各自有难以改变的瑕玷，难以知足人人的需求，不外随着近年来高质量单晶GaN衬底的商业化，与垂直型Si或SiC电力电子器件结构相近的垂直型GaN（GaN-on-GaN）器件获得快速生长，并逐步由实验室研究迈向产业化。

垂直型GaN器件相较于三种衬底的平面型，有更为显著的优势：

电流通道在体内，不易受器件外面陷阱态的影响，动态特征较为稳固；

垂直结构器件可在不增添器件面积的条件下通过增添漂移区厚度直接提升耐压，因此与横向结构相比更易于实现高的击穿电压；

电流导通路径的面积大，可以蒙受较高的电流密度；

酒店业「狂飙」的上半年

由于电流在器件内部更为平均，器件的热稳固性佳；

垂直结构器件易于实现雪崩特征，在工业应用中优势显著。

今年5月，欧洲 YESvGaN 同盟在 PCIM Europe 2023上展示了新型垂直 GaN功率晶体管方案，其成本可降低至与硅基氮化镓器件相当。

据先容，该同盟正在开发一种“垂直型GaN薄膜晶体管“手艺，该手艺可以不接纳氮化镓衬底，二是接纳硅和蓝宝石衬底，通过氮化镓异质外延生长来获得成本优势。简朴来说，他们在氮化镓生长后，移除器件区域下方的硅、蓝宝石衬底以及缓冲层，并从后头直接毗邻到 GaN 层金属触点。

该手艺目的是使用直径12英寸（300毫米）的硅或蓝宝石晶圆，来开发650-1200V的准垂直GaN功率晶体管，同时兼顾垂直结构的优点和硅基GaN/蓝宝石GaN的低成本优势。

此外，今年1月，美国一家基于专有的氮化镓（“GaN”）加工手艺开发创新型高压功率开关元件的半导体器件公司Odyssey Semiconductor Technologies, Inc宣布，公司的垂直GaN产物样品制作完成，并于 2023 年*季度最先向客户发货。

其正在美国制造事情电压为 650V 和 1200V 的垂直氮化镓 (GaN) FET 晶体管样品。该公司示意，垂直结构将为 650 和 1200 伏器件提供更低的导通电阻和更高的品质因数，其导通电阻仅为碳化硅 (SiC) 的十分之一，而且事情频率显著更高。

据先容，Odyssey 的垂直 GaN 方式将比碳化硅或横向 GaN 提供比硅更大的商业优势，垂直 GaN 在竞争手艺无法到达的性能和成本水平上比碳化硅具有 10 倍的优势。

在垂直型结构之外，是更高的集成度。需要注重的是，现在GaN 电力电子器件仍由分立元件主导，这些元件由发生开关信号的外部驱动器 IC 驱动，为了能充实行使 GaN 提供的快速开关速率，单片集乐成率器件和驱动器功效也是主要的生长偏向之一。

现在，绝大多数的GaN功率系统都是由多个晶片组成。这些氮化镓元件在整合至印刷电路板（PCB）以前都是自力元件，制程中会发生寄生电感，降低元件性能。以驱动器为例，当多个自力电晶体的驱动器被置于差异晶片时，驱动器输出级与电晶体输入级之间会发生大量的寄生电感，半桥电路中央的交流节点也会深受其害。以氮化镓（GaN）制成的高电子迁徙率晶体管（HEMT）具备超高速的开关能力，若是不去抑制寄生电感，就会导致振铃征象（ringing），也就是滋扰讯号的不良振荡。

而这一问题的*解决方案，就是举行驱动器与HEMT的单片式整合，不仅能制止寄生征象的发生，还能*水平地运用GaN元件的优异开关性能。

去年3月，比利时微电子研究中央（imec）氮化镓电力电子研究设计主持人Stefann Decoutere探讨了在200V GaN-on-SOI智能功率芯片（IC）平台上，整合高性能肖特基二极管与空匮型高电子迁徙率晶体管（HEMT）的乐成案例。

该平台以P型氮化镓（GaN）HEMT制成，此次研发乐成整合多个GaN元件，将能协助新一代芯片扩充功效与升级性能，推进GaN功率IC的全新生长。同时提供DC/DC转换器与负载点（POL）转换器所需的开发动能，进一步缩小元件尺寸与提高运作效率。

imec GaN 电源系统开发总监 Stefaan Decoutere示意，通过将 e 模式（增强模式）与 d 模式（耗尽模式）的 HEMT 相连系，我们能够提高 GaN IC 的性能。通过使用集成的 d 模式 HEMT 扩展 SOI 上的功效电子模式 HEMT 平台，可以直接从 RTL 向耦合 FET 逻辑迈出一步，从而实现速率提高和低功耗。

此外，虽然及格的增强型HEMT和肖特基二极管功率器件已经在100V、200V和650V的事情电压局限内举行了演示，为大批量制造应用铺平了蹊径。但由于在200mm晶圆上生长足够厚的GaN缓冲层很难题，实现高于650V的事情电压一直是一个挑战。因此，到现在为止，SiC仍然是650-1200V应用（包罗例如电动汽车和可再生能源）的*半导体。

同样是imec，其携手化合物半导体质料的沉积装备供应商Aixtron，在200mmQST衬底上展示了相符1200V应用的氮化镓缓冲层的外延生长，其硬击穿电压跨越1800V。

imec的高级营业开发司理Denis Marcon示意：“现在，GaN可以成为从20V至1200V整个事情电压局限内的*手艺。由于可以在高产能CMOS工厂的大型晶圆上举行加工，基于GaN的电源手艺与基于SiC的本质上昂贵的手艺相比，具有显著的成本优势。"

实现手艺突破的要害，是在IIAP设计局限内对庞大的外延质料叠层举行全心设计，并连系使用200mm QST衬底。Qromis的CMOS-fab友好型QST衬底的热膨胀异常匹配GaN / AlGaN外延层的热膨胀，为更厚的缓冲层铺平了蹊径，从而实现更高的电压事情。

此外，尚有厂商在氮化镓质料上下苦工。

据日经报道，日本*的半导体晶圆企业信越化学工业和从事ATM及通讯装备的OKI开发出了以低成本制造使用氮化镓（GaN）的功率半导体质料的手艺。其制造成本较之传统制法可降低90%。

讲述指出，信越化学工业和OKI开发的新手艺可以在特有的基板上喷镓系气体，使晶体生长。信越化学工业的增厚晶体手艺与OKI的接合手艺相连系，从基板上只揭下晶体。晶体放在其他基板上作为功率半导体的晶圆使用。在与在硅基板上使GaN晶体生长的制法相比，不需要基板与晶体之间的绝缘层。加上晶体的厚膜化，可以通20倍大的电流。

总结

更多的大厂，更多的手艺创新，让氮化镓成为了人人关注的焦点，就未来而言，氮化镓的远景之广漠，比现在正火热的碳化硅有过之而无不及。

随着下游新应用最先逐步发作，相关手艺不停取得突破，氮化镓器件势必成为第三代半导体中最耀眼的一颗新星，成为降本增效、可延续绿色生长的要害手艺之一。

掌握氮化镓，成为了当前功率市场中大部门厂商的希望，而这背后，就是无数日夜的手艺打磨与试错，我们信托，迎头遇上的海内厂商能在氮化镓之上，寻找到新的突破和增进点。

参考文献

垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的生长状态——李博等

1200V氮化镓，挑战SiC——半导体行业考察

东芝D＆S、开発中のGaNパワーデバイスを初出展——EEtimes