6吋氮化镓单晶背后关键核心技术解析

近日，日本又一家企业——丰田合成——宣布成功量产了6英寸氮化镓单晶衬底。   据丰田合成的最新文献，他们是通过钠助溶剂液相法，先在蓝宝石衬底上生长籽晶，然后再经过HVPE法生长高质量的氮化镓单晶，研发时间仅半年。  

  量产6英寸GaN衬底，2025年营收目标超53亿   3月15日，丰田合成官网宣布，他们与大阪大学合作，成功制造出应用于功率半导体的6英寸GaN衬底。   

6英寸GaN衬底   据介绍，这项成果是由日本环境省，丰田合成和大阪大学利用钠助溶剂液相法GaN单晶生长法，生产了超过6英寸的高质量 GaN 衬底。

制造大直径GaN衬底的要点（钠熔剂法）   丰田合成表示，6英寸功率半导体氮化镓衬底的研发得益于早期LED氮化镓衬底技术的积累。   LED产业界认为，对氮化镓研究得最成功的单位日亚公司和丰田合成。丰田合成从1986年就开始研究GaN基LED的生长技术，1991年在诺贝尔物理奖得主赤崎勇教授的指导下，他们率先在世界范围内成功开发出GaN蓝光LED。   除了氮化镓衬底外，丰田从2010年就开始研究GaN基功率器件。2015年其GaN基功率器件实现了50安培的大电流操作；2016年7月，丰田合成研发出世界首颗GaN基1200V功率晶体管芯片，工作电流超过20A；并在2019年6月，GaN基功率器件实现了100安培的大电流操作。  

   4次迭代技术，半年成功研发6吋单晶   根据文献，丰田合成为了开发6英寸氮化镓单晶，采用了钠助溶剂和MVPE两种方法。钠助溶剂法是为了生长高质量籽晶，而MVPE是为了生长氮化镓单晶。 整个生长工艺如下：  

  丰田合成先使用钠助溶剂法在蓝宝石衬底上生长了多籽晶衬底（MPS）。据介绍，他们已制造出直径8 英寸的MPS衬底，正在开发10英寸级大直径MPS衬底。  

  而这种方法只用于生长优质GaN籽晶，他们采用了MVPE等方法，在籽晶上再生长厚厚的GaN，以生产高质量的GaN衬底。   丰田合成株式会社表示，他们将继续评估6英寸衬底的量产质量，并致力于进一步提高产品质量和扩大直径（6英寸或更大）。   

    据介绍，2021年10月，他们已经成立了一家风险投资公司“teamGaN”，使用这项GaN衬底制造技术，为功率器件开发提供 GaN 衬底。  

  据了解，2025年丰田合成氮化镓业务的营收目标是要达到1000亿日圆（约53.3亿人民币），其中氮化镓衬底和功率器件是主要营收来源。而且丰田与日本名古屋大学合作开发了“全氮化镓汽车”，届时从LED照明、激光雷达和功率器件都将采用氮化镓技术。  

  住友、三菱量产4吋衬底，6吋单晶已在路上   据《2021第三代半导体调研白皮书》，丰田合成株式会社并不是日本第一家宣布成功制造出6英寸GaN衬底的企业。   ● 早在2021年6月，住友化学表示将投入100亿日元（约5.86亿人民币），从2022年开始量产4英寸GaN单晶衬底。

而且他们还表示已经成功制作了6英寸的GaN衬底，并加快了量产技术的建立。   

  未来5年，住友化学的目标是将GaN衬底营收提升3倍，从光电领域转入更大的功率半导体领域。   ● 2021年3月，三菱化学曾透露，他们已开发出4英寸GaN单晶衬底，计划于2022年4月开始供应并且正在开发6英寸的产品。   

  而且，其晶体缺陷仅为普通GaN衬底的大约1/100-1/1000，“几乎没有缺陷”。   国内企业氮化镓单晶进展   放眼国内，近几年内，吴越半导体、苏州纳维、广东光大、上海瀚镓和镓特半导体以及东莞中稼在氮化镓单晶方面均取得了良好成果。   2021年12月，吴越半导体举行了GaN晶体出片仪式，展出了全球范围内首次厚度突破 1 厘米的氮化镓晶体。        据悉，2020年2月，吴越半导体、先导集团与高新区管委会签订合作协议，在无锡高新区实施 2-6 英寸氮化镓自支撑单晶衬底产业化项目——首个落户于无锡先导集成电路装备材料产业园的项目。  

2021年1月，苏州纳维举行总部大楼奠基仪式，项目建成后，GaN单晶衬底及外延片年产能达5万片。在2017年，该公司推出4英寸GaN单晶衬底，并突破了6英寸的关键核心技术。 2021年9月，东莞增补了61个2021年第三批市重大项目，其中包括广东光大的氮化镓项目，总投资额高达44亿元，建成后将生产2-4英寸氮化镓衬底等产品。

2021年8月，根据《瀚镓GaN自支撑晶圆制造关键技术研发与产业化》项目的环评公示，上海瀚镓半导体科技有限公司将在上海市浦东新区建设“4英寸GaN高质量自支撑晶圆的研发及中试”。 2020年3月，镓特半导体宣布开发出4英寸掺碳半绝缘GaN晶圆片。据悉，该公司已初步具备自支撑氮化镓晶圆片产业化生产条件，4英寸自支撑氮化镓晶圆片厚度达800μm。 2018年2月，东莞中稼半导体宣布，在国内首次试产4英寸自支撑GaN衬底，并计划于同年年底实现常规量产。

编辑：黄飞