一文看懂化合物半导体

此处广告，与本文无关

什么是氮化镓？氮化镓何以占据C位？

氮化镓，分子式GaN，英文名称Gallium nitride，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405nm）激光。

氮化镓自出生以来南征北战，无论是PK碳化硅（SiC）还是吊打砷化镓（GaAs），作为第三代半导体材料的GaN优势凸显。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；其较大的禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利于提升器件整体的能效；且电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。

同为第三代半导体材料，相比于SiC，GaN之所以更受宠主要是两个因素：

（1）GaN在成本控制方面显示出了更强的潜力。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，来替代昂贵的SiC衬底。有分析预测，到2019年GaN MOSFET的成本将与传统的Si器件相当，并且GaN技术对于供应商来说是一个非常有吸引力的市场机会，它可以向它们的客户提供目前半导体工艺材料可能无法企及的性能。

（2）再者，由于GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。

Yole Developpement功率电子暨化合物半导体事业单位经理PierricGueguen认为，碳化硅主要适用于600V以上的高功率应用，氮化镓则适用于200~600V中功率应用。根据Yole的预测，到2020年氮化镓将进一步往600~900V发展，届时GaN势必会与碳化硅产生竞争关系。

2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二因发明蓝光LED而获的当年的诺贝尔物理奖。其中氮化镓正是推动了蓝光LED向前发展的重要新型材料。至此，氮化镓在确立了其在光电领域的重要地位。

除了LED，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。氮化镓(GaN)功率半导体技术和模块式设计的进步，使得微波频率的高功率连续波(CW)和脉冲放大器成为可能。

中国积极布局第三代半导体材料

最近几年，我国正在大力发展集成电路产业，第三代半导体作为下一代电子产品的重要材料和元件，自然也受到了重点关注。

2015年5月，国务院印发了《中国制造2025》。其中，4次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件。

2016.09科技部立项国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项---面向下一代移动通信的GaN基射频器件关键技术及系统应用”， 该项目旨在针对5G通信需求，建立开放的工艺代工线，实现从高效率器件到超宽带电路设计等系列自主可控的GaN基射频器件和电路成套技术；建立“产学研用”协同创新产业链，实现GaN器件与电路在通信系统的应用，推动我国第三代半导体在射频功率领域的可持续发展。

2018年7月，国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布。路线图主要从衬底/外延/器件、封装/模块、SiC应用、GaN应用等四个方面展开论述，提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测。

到目前为止，国内已有四条4/6英寸SiC生产/中试线和三条GaN生产/中试线相继投入使用，并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。

在GaN衬底方面，国内已经小批量生产2英寸衬底，具备4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸衬底样品。国内可提供相关产品的企业有：纳维科技、中镓半导体。

那么国内都有哪些氮化镓的供应商？

根据RESEARCH AND MARKETS发布的“氮化镓半导体器件市场2023年全球预测”称，氮化镓器件市场预计将从2016年的165亿美元，增长至2023年的224.7亿美元，年复合增长率为4.51%。GaN产业链包括上游的材料（衬底和外延）、中游的器件和模组、下游的系统和应用。在国内GaN逐步扩大的市场带动下，上、中、下游各环节均开始出现大批厂商。

GaN衬底供应商

1 纳维科技

2 东莞中镓

GaN外延供应商

3 苏州晶湛

4 聚能晶源

5 世纪金光

GaN射频器件供应商

6 中晶半导体

7 英诺赛科

8 三安集成

9 苏州能讯

GaN电子电力器件供应商

10 江苏能华

11 江苏华功

12 大连芯冠

13 苏州捷芯威

GaN功率器件供应商

14 华润微电子

15 杭州士兰微

GaN光电供应商

16 三安光电

17 中蕊光电

18 聚芯光电

19 晶能光电

GaN代工供应商

20 海威华芯

氮化镓的难度比外界想象的大很多，国内氮化镓材料的发展难题主要有以下几点：

一是在技术上，宽禁带功率半导体面临的技术难题很多，如衬底材料的完整性、外延层及欧姆接触的质量、工艺稳定性、器件可靠性以及成本控制等，宽禁带功率半导体产业化的难度比外界想象的要大很多。

二是在生态环境假设上。5G移动通信、电动汽车等是宽禁带半导体产业最具有爆发性增长潜力的应用领域，国内在产业生态的成熟度上与国外的差距还比较明显，落后程度更甚于技术层面的落后程度。产业链上下游协同不足，尚未解决材料“能用-可用-好用”发展过程中的问题和障碍。

虽然目前我国在一些GaN领域取得了关键性突破，但是与国际领先水平相比，我国在第三代半导体衬底、外延材料、器件的整体技术水平落后3年左右。在GaN领域缺少原始创新的专利，仍需要积极引进国外优秀技术人才，多方面借鉴国外发展经验，逐步提升国内技术水平。

GaN作为新一代半导体材料，对于芯片和器件的制备，半导体行业特点突出，是否具备高良率，是否具备商业化价值是衡量企业的另一关键要素。国内要想发展GaN，就要依靠自主研发，实现技术突破。当前我国第3代半导体材料研发与国外差距不大，如果通过产业链协同创新，完全有可能实现弯道超车，打破半导体产业受制于人的被动局面。