热度不减的氮化镓
随着基于硅的技术发展逐渐接近极限，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等为代表的第三代半导体迎来了爆发风口。其中，SiC和GaN作为目前最为成熟，商业化程度最高的第三代半导体材料自然风头正盛。
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。
低调却“吸金”
吸金能力的背后，是氮化镓强大的潜力。同为第三代半导体材料，氮化镓时常被人用来与碳化硅作比较，虽然没有碳化硅发展的时间久，但氮化镓依旧凭借着禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、饱和电子漂移速度高和抗辐射能力强等特点展现了它的优越性。据Yole Developpement发布的GaN Power 2021报告预期，到2026年GaN功率市场规模预计会达到11亿美元。
据统计，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。
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%。
“吸金”背后的发展难题
毫无疑问，氮化镓已经成为半导体产业的重要发展方向，但不可否认的是，就像碳化硅一样，氮化镓也存在着种种技术难点问题。
当前氮化镓材料的发展难题主要有以下几个方面：
一是衬底材料问题。衬底与薄膜晶格的相配程度影响GaN 薄膜质量好坏。一方面，目前使用最多的衬底是蓝宝石(Al2O3)，此类材料由于制备简单，价格较低，热稳定性良好，且可以用于生长大尺寸的薄膜而被广泛使用，但是由于其晶格常数和线膨胀系数都与氮化镓相差较大，制备出的氮化镓薄膜可能会存在裂纹等缺陷。另一方面，也有资料显示，由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，而且氮化镓极性太大，难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，因此工艺制造较复杂。
二是氮化镓薄膜制备问题。比较传统的GaN 薄膜制备方法有MOCVD（金属有机物气相沉积法）、MBE 法（分子束外延法）和HVPE（氢化物气相外延法）。其中，采用MOCVD 法制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产，但生长完毕后需要进行退火处理，最后得到的薄膜可能会存在裂纹，会影响产品的质量；MBE法只能用于一次制备少量的GaN薄膜，尚不能用于大规模生产；HVPE法生成的GaN晶体质量比较好，且在较高的温度下生长速度快，但高温反应对生产设备，生产成本和技术要求都比较高。
三是GaN籽晶获得问题。直接采用氨热方法培育一个两英寸的籽晶需要几年时间，因此如何获得高质量、大尺寸的GaN籽晶也是难题所在。
此外，目前氮化镓有2个技术上的难题，其一是以目前生长的基板碳化硅来说，尺寸上尚无法突破6英寸晶圆的大小，同时碳化硅的取得成本较高，导致目前既无法大量生产、价格也压不下来；第二个则是要如何让氮化镓能在硅晶圆上面生长、并且拥有高良率，是业界要突破的技术，如果可以克服并运用现有的基础设施，氮化镓未来的价格跟产量就能有所改善。
由此可见，要想氮化镓产能提升、成本控制并形成完全的产业链，所面对的技术挑战不容小觑。
有难题的地方就会有新技术
当然，有难题的地方就会有科研，有科研的地方就会有智慧，有智慧的地方显然也孕育了不少突破性技术。
- 中国瑞士联合团队让氮化镓器件性能大幅接近理论极限
- 晶湛半导体突破12英寸硅基氮化镓HEMT外延技术
- AIST开发全球首颗GaN HEMT与 SiC SBD的集成单芯片原型
- 纳微半导体推出GaNSense新技术
总的来说，虽然氮化镓制备以及功率器件产品都还存在着不足，但业界也提出了相应的技术方案进行解决，随着技术发展不断推陈出新以及GaN半导体的可靠性得到证实，未来氮化镓也将有望成为引爆第三代半导体的商机。
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