氮化镓GaN晶圆的制造流程及应用领域

氮化镓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，是研制微电子器件、光电子器件的新型材料。相比“得碳化硅者得天下”，氮化镓就显得低调许多，1969年日本科学家Maruska等人才在蓝宝石衬底表面沉积出了氮化镓薄膜，本世纪初氮化镓进入了飞速发展阶段。2019年，氮化镓作为第三代半导体的主要材料之一首次进入主流消费应用，并在2020年因小米氮化镓充电器而引发关注。

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）同属于第三代半导体。

第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势。因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景。此外，它还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

氮化镓产业链上游原材料包括氮化镓衬底及氮化镓外延片，原材料成本较高，进口依赖严重，国产化率约10%。

GaN晶圆的分步制造：

第一步MOCVD生长前衬底的清洗

一名实验室工程师在通风柜里检查和清洁衬底基板。在这里，他为图案生长或金属有机化学气相沉积做准备。ProNano的MOCVD反 应器的大容量，它在一轮可以外延生长七个50毫米的圆盘，或者- 轮可以外延生长一 个150毫米的圆盘。 当较小的圆盘的直径增长时，并环总是利用全部容量，七个位置仅使用一到两个圆盘。

第二步、扫描电镜制模与表征

在可以生长纳米结构之前，干净的圆盘在洁净室中经受许多工艺过程，例如沉积、旋转和蚀刻。这在磁盘的整个表面上形成了纳米尺度的空腔图案。空腔的存在决定了纳米结构将在哪里产性或不产生。

第三步、用MOCVD外延生长

衬底的图案和晶面弓导生长呈现特定方向，使得高质量的膜或纳米结构可以生长在衬底的顶部。衬底的所有操作都在受控的氮气环境中进行。

第四步、扫描电镜进-步表征

在外延晶体生长中，材料中会产生缺陷，也称为位错。导体晶片中的位错越多，电转换过程中浪费的能量就越多，能量效率就变得越低。RISE专家与客户合作实现非常规的生长方法，如纳米线的聚结，这些方法在GaN材料中实现更低的缺陷密度方面显示出了有希望的结果。

第五步、部件制造和特性测试

用SEM分析GaN晶体后， RISE专家用半导体材料制造电子元件，如肖特基二 极管或p-n二极营。进行表征测试是为了测试材料的导电性、元素的成分和表面光滑度。在洁净室中，使用平反印刷方法、蚀刻和沉积在培养材料顶部的金属接触来生产组件。然后，专家测元件的电容，如电流和电容，并根据击穿电压和泄漏电流等参数评估其性能。

氮化镓的应用领域分析

氮化镓的应用领域远不止消费电子领域。据普华有策统计，氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域，微波射频方向包含了 5G 通信、雷达预警、卫星通讯等；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等；光电子方向则包括了 LED、激光器、光电探测器等。

而其中，5G 通信与新能源汽车也将成为氮化镓未来重点投入的方向。随着汽车电动化、5G通信、物联网市场的不断增长，在小尺寸封装强大性能的加持下，GaN再次成为关注的焦点。在5G通信领域，GaN可以缩小 5G 天线的尺寸和重量，又能满足严格的热规范，所以适合毫米波领域所需的高频和宽带宽。在目前正热的汽车电子市场，氮化镓也可以将汽车的车载充电器（OBC）、DC-DC转换器做得更小更轻，从而有空间放入更多的锂电池，提升整车续航里程。

Yole更是预测，从2022年开始预计氮化镓以小量渗透到OBC和DC-DC转换器等应用中。因此到2026年，汽车和移动市场价值将超过1.55亿美元，年复合成长率达185%。

文章整合自个人图书馆、星空财富、仪器小助手