一个巨大的GaN市场正在形成，这是由消费需求和设备应用对更高能源效率的需求所推动的。供应商已经准备好了，但要在汽车应用中与SiC完全竞争，需要动力GaN的进一步技术发展。尽管如此，21世纪20年代仍标志着GaN市场的高速增长阶段。电力GaN市场的收入以59%的复合年增长率(2021 - 2027年)增长，目标是在五年内达到20亿美元(根据YOLE集团的《电力GaN 2022》报告)。

引领高增长道路的是消费领域，到2027年，仅电力GaN就将达到10亿美元大关，其次是数据通信和汽车、移动，射频GaN市场也不逊色。YOLE预测，在类似的时期内，这个市场的规模将达到25亿美元，除此之外还会有高速增长。

这意味着IDM和晶圆厂以及它们的设备供应商将面临巨大压力。“这些都是巨大的市场，”Power America财团的执行董事兼首席技术官维克多•维利亚迪斯(Victor  Veliadis)指出。“但大众市场的压力将给公司带来很大的财务压力。因此，他们将面临压力，需要更高的产量和更大的硅片。”

幸运的是，氮化镓的制造在很大程度上可以用和硅CMOS的相同设备来完成。例外是在起始阶段的关键外延步骤，当功率GaN达到前所未有的更高电压时，这将变得更加关键。然而，在EPI之外，领先的设备供应商正与客户更加密切地合作，以响应迅速增长的需求。

GaN复合年增长率 来源:Yole集团

过程点

氮化镓从EPI开始，不同的是生长外延的晶圆的种类。那些起始晶圆可以是硅，碳化硅，蓝宝石，甚至散装氮化镓。这取决于设计选择和目标应用程序。但无论起始基底是什么，GaN外延都是复杂的。因为开始晶圆的晶体结构不同于最终的顶部GaN层(当然，除非你开始使用大块GaN晶圆，它们的直径只有几英寸，这使它们不那么吸引人)，所以需要缓冲层来实现晶体转变。

GaN外延采用金属有机CVD (MOCVD)。“当着眼于GaN HEMT制造时，MOCVD工具是杰作。对此，有几家供应商，分别是爱思强、Veeco和Taiyo Nippon Sanso，”约尔化合物半导体和新兴基板集团的技术和市场分析师Taha Ayari指出。这些工具需要满足几个标准，如产量、厚度和成分均匀性、可重复性和良率控制。蚀刻工具也很重要，因为干净的侧壁和光滑的表面是需要的。蚀刻工具的主要供应商是SPTS (KLA公司)，Lam Research和牛津仪器，以及许多其他公司。一般来说，设备供应商需要与他们的客户携手合作，以更好地理解GaN制造过程的要求。”

电力GaN市场的爆发是由消费者手机充电器市场的采用所驱动的，在那里大规模生产，更高的数量与更低的价格是必需的。这意味着从主流的6英寸硅基板向更大的晶圆尺寸过渡。今天，一些厂商已经拥有200毫米(8英寸)的GaN-on-Si晶圆厂(Innoscience和X-Fab)，或者在未来几年向200毫米晶圆厂(英飞凌、意法半导体、Nexperia、BelGaN和台积电)发展，Yole的电力和无线部门团队首席分析师Ezgi Dogmus说。

在代工方面，X-Fab起步很早。X-Fab SiC和GaN产品营销经理Agnes Jahnke表示:“作为第一家纯代工公司，我们使用位于德国德累斯顿的欧洲CMOS生产工厂，为客户提供在200mm GaN-on-silicon晶圆上加工高效、高压电源器件的能力。”对于GaN晶圆，目前还没有专门的工具。所有设备都可以同时处理两种晶圆材料(硅和GaN-on-Si)。

然而，在运行的CMOS晶圆厂中处理GaN-on-silicon晶圆并不容易。“它有一些限制——例如，不能使用贵金属或厚度超过1毫米的晶圆，”扬克说。“还有许多与材料应力、断裂概率、污染水平、缺陷和工艺集成相关的挑战需要解决。但另一方面，良好的电气性能、更大的晶圆面积和更高的成品率为客户带来了显著的优势，因此他们可以在市场上与IDM和其他GaN厂商竞争。”

X-Fab将开始的外延外包给国际合作伙伴，这些合作伙伴提供规模经济。由于外延层的特性会影响器件的性能，这种策略也为自带外延晶圆的无晶圆厂客户提供了灵活性。

垂直整合的IDM通常更喜欢在内部进行EPI。Transphorm是一家垂直集成GaN芯片制造商，致力于更大、更高电流的GaN芯片。Transphorm公司总裁兼首席运营官Primit Parikh说:“Transphorm公司工艺的美妙之处在于，它是在硅晶圆厂使用硅设备运行的。”“对于GaN薄片，我们拥有由设备制造商生产的标准MOCVD设备的专有工艺，这些设备制造商不断努力改进他们的工具，以更好地服务于他们的市场。”

Parikh举了Transphorm与爱思强(Aixtron)和Veeco的合作为例。“这让我们可以直接控制我们的GaN晶圆制造——我们认为这种能力对创新、制造控制、质量以及最终的供应链控制至关重要。”

在硅线中添加GaN，性能是一个日益增长的趋势。考虑Wavetek, UMC的50k/月专业晶圆厂。它始建于2010年，在2014年过渡到GaAs。GaN的宽带隙和高频性能特性使我们能够提供具有优越外形因素和更高效率的产品，以满足对节能器件日益增长的需求。”

在RF领域，虽然Wavetek在通信基础设施应用中拥有良好的市场份额，但这些是采用DUV步进器的PHEMT/HBT解决方案。Jwo说:“对于寻求更好的功率增益和更高输出功率的客户，我们还提供了使用黄金BEOL互连的GaN RF技术的迁移路径。”“我们一直在与我们的驱动客户合作，为sub-6GHz、毫米波和LEO卫星通信产品提供GaN解决方案，我们将继续扩大我们在这一领域的相关性。简而言之，Wavetek团队在GaN电源和GaN RF技术开发方面与客户密切合作。我们相信，凭借其卓越的能源效率特性，GaN器件将在向更绿色、低碳的未来转型中发挥重要作用。”

图2:UMC转换Wavetek Fab(Fab 6A，位于台湾新竹)来源:Wavetek

供应商的提升

设备供应商正在采取不同的方法来应对GaN市场，其中一些公司比其他公司做出了更大的调整，但对他们来说，灵活性是关键。

Veeco技术副总裁Drew Hanser指出，该公司可以互换使用相同的设备在硅上生长，也可以在功率和RF应用中使用SiC基板。他说:“我们的气体注入方法通过设计提供了高度均匀的浓度，这导致了优异的薄膜厚度均匀性、成分均匀性和掺杂均匀性。”“我们的单晶圆反应器还提供多区域加热控制和优化的热环境，为200mm和300mm晶圆提供卓越的温度均匀性。”

图3。Veeco公司的Propel 300 MOCVD系统  来源:Veeco

与此同时，Screen的方法是为GaN工艺重新配置现有的硅设备。Screen欧洲市场部高级经理Lucia D’urzo解释说，对于光刻轨迹和清洁工具来说，最大的区别在于，由于SiC晶圆边缘脆弱，GaN-on-SiC需要小心处理。在洗涤工具中，特殊的刷子被用于最大限度地减少来自SiC基板的磨损。为了测量和检测，薄膜厚度和光学系数被建模来测量GaN, AlN和AlGaN，同时多种照明选择和缺陷分析算法可用来检测透明晶圆。

D 'Urzo观察到:“GaN器件的生产仍以150和200毫米晶圆为主。”“我们的优势之一是我们拥有广泛的工具套件，可以灵活地处理这些晶圆尺寸的各种器件的生产。”

图4: Screen ZI-3500高速自动目测(AVI)系统。来源：Screen

展望未来，她认为在外延生长之前的晶圆表面制备和MOCVD工艺本身的优化，特别是在处理更大的晶圆尺寸时，是GaN面临的最大挑战之一。另一个是检查。她补充说:“与硅相比，我们仍然面临GaN薄膜的晶体缺陷，裂纹和滑移线是由次优MOCVD工艺产生的。”“我们有清洁工具的组合，以确保先进的表面清洁过程，而我们的检查工具，ZI-3500，可以提供100%的晶圆采样在合理的吞吐量和低CoO。”

其他供应商则采取了更为专业的方式。Lam Research客户支持业务集团专业技术副总裁David Haynes表示:“通过一个持续的开发项目，Lam Research已经为GaN半导体器件制造建立了一套可行的工艺解决方案。”“这些能力的关键是一个基于原子层蚀刻的过程，可以提供超低损伤，原子尺度的氮化镓和相关材料的精密蚀刻。新的，优化的工艺可以减少蚀刻态GaN/AlGaN[铝镓氮化]的蚀刻后片电阻，同时蚀刻材料的表面粗糙度保持与进入的外延层相当。这种高精度、低损伤的蚀刻能力对于p-GaN或凹栅高电子迁移率晶体管(HEMT)架构的形成至关重要，该架构用于制造电力电子应用中正常的非GaN器件。”

虽然这样的过程通常会很缓慢，但Lam已经开发了专有的解决方案来加快速度，这可用于射频和功率GaN制造。

海恩斯说:“虽然GaN on SiC射频器件已经相对成熟，并将在高功率应用中保持非常重要的地位——例如，在电信基础设施和国防领域——GaN-on- si外延的快速发展意味着GaN-on- si射频器件将越来越多地解决低功率、高容量的消费产品应用。”“这些将与GaN-on-Si电源设备一起发展，它们面临着许多相同的工艺挑战。今天，大多数GaN-on-SiC射频器件仍然是在150mm甚至100mm晶圆上制造的。GaN-on-Si器件在200毫米和未来的300毫米晶圆上加工的机会，以及使用互补金属氧化物半导体(CMOS)代工能力的潜力，甚至与CMOS开发集成解决方案，都将是这一转变的关键驱动因素。”

图5:Lam的Kiyo45反应离子刻蚀(RIE)  来源:泛林半导体

Haynes指出，还有许多其他等离子体沉积和清洁工艺步骤对提高GaN器件性能至关重要。兰姆正在努力优化钝化工艺本身和硅片钝化前表面清洁。Lam还解决了晶圆背面和斜面的镓污染问题。海恩斯说，当然，从150mm晶圆到200mm晶圆的过渡是一个重大挑战。“这就是为什么我们利用现有的大批量生产工具开发解决方案的方法如此有意义。它提供了最好的200mm性能，同时使用相同的工具提供了未来的300mm生产桥梁。”

封装的重要性

前端并不是唯一正在发生进步的地方。随着GaN进入新的领域，需要新的封装解决方案。QP Technologies(前身为quick - pak)是一家领先的微电子封装和组装、晶圆制备和基板设计和开发服务提供商。QPT的销售总监汤姆·比安奇(Tom Bianchi)说:“封装是整体表现的重要组成部分。”

Bianchi指出，随着芯片性能的提高，封装和连接技术的需求也在增加。氮化镓正在推动后端材料对更好的模具附着和增强的线键合技术的需求。他说:“这就是为什么QPT正在与设备制造商合作，增强线键合设计，以优化GaN射频性能。”

QPT提供晶圆精加工(细化，金属化和切割)，以及各种形式的组装，包括电源定制封装。GaN-on-silicon功率器件的封装挑战之一是切丁，因为GaN比硅硬得多，而且倾向于芯片化。QPT解决方案涉及双主轴切丁锯，可以使用两个不同的切丁刀片。一个去除GaN，而另一个是硅。QPT还与一个主要的切丁设备供应商合作，提供激光划线和烧蚀时需要。

展望未来，Bianchi看到了封装定制的改进机会，以更好地处理功率热、低阻抗材料、封装设计和射频过程。

垂直的视野

从历史上看，今天的GaN电源设备是从HEMT发展而来的，HEMT最初是为射频世界设计的。这些都是横向的，“总是开着”的设备，这是射频所必需的。但对于电力来说，“永远开着”是一个安全风险。电源设备需要“始终处于关闭状态”，因此GaN的设计师开发了一些策略，让它们在打开之前一直处于关闭状态。

在横向器件中，电流“水平”流过AlGaN缓冲层和顶部GaN层之间的电通道。一般来说，为了使电源设备能够处理更高的电压，源极和漏极之间的距离需要延长，缓冲层需要变厚。

有很多工作正在进行中，以推动GaN电压更高。例如，在2021年，imec和爱斯强证明了在200mm QST衬底上外延生长的氮化镓缓冲层能够满足1200 v的应用，其硬击穿超过1800 v。imec认为:“1200伏的缓冲层的可制造性为基于gan的最高电压电源应用(如电动汽车)打开了大门，以前只有基于碳化硅(SiC)的技术才可行。”

然而，在横向设备中，支持更高的电压是有代价的。将源极和漏极间隔得更远是一种水平运动，这意味着更大的芯片——反过来也意味着每个晶圆的芯片更少。至于横向GaN器件在提高电压方面能够走多远，成本效益还不得而知。

另一个选择是垂直走。硅和碳化硅功率器件是垂直方向的，这意味着从结构上来说，器件的源在顶部，电流向下(垂直)流向底部的漏极。为了提高器件所能承受的电压，所需要做的就是使器件更厚，这样源极就离漏极更远。这提供了一个进入超高压世界的入口，其应用需求范围从铁路牵引的3.5kV到智能能源电网的10kV及以上。

目前正在对GaN设备采取类似的方法，但要制造垂直GaN电源设备还有很多困难。首先，这需要一个从上到下基本上完美的晶体结构，所以你只能通过在块状GaN晶圆上做GaN外延来增加厚度——在硅晶圆上不像横向GaN晶圆那样有大的缓冲层。然而，散装氮化镓晶圆非常小，只有1到4英寸。对于一个通过生产越来越大的晶圆来应对生产力挑战的行业来说，这带来了财务上的挑战。(像它们的碳化硅兄弟一样，GaN球——又称铸锭——体积小，生长缓慢)。好的一面是，垂直GaN器件非常小，所以你可以在晶圆上放置更多的器件。

正如Veliadis所指出的那样，要做垂直氮化镓，“你需要大的基材，合理的成本和良好的质量。然后你将需要特定的工艺来处理垂直GaN，而硅中不存在这种工艺，你需要开发这些工艺，你需要针对这些工艺的工具。”所有这些都需要在整个行业进行大量投资。与此同时，碳化硅领先了10年。

垂直GaN尚未商业化，尽管NexGen和Odyssey Semi等公司表示已经接近商业化。imec也在进行研究。然而，Veliadis指出，由于横向GaN电源设备的可用市场有一个600V的甜蜜点，这是如此巨大，垂直设备的研究资金受到了影响。

正如Yole所指出的(见图6)，GaN电源设备目前负责手机大容量快速充电器和低容量高端光伏逆变器市场。这些横向设备也在车载充电器的汽车领域取得了进展(将交流电源从墙壁插座转换为为电动汽车电池优化的直流电源)、DC/DC转换(将400或600V的汽车电池的直流电源降至所有配件所需的12V或48V)以及数据中心。约尔公司的专家说，在数据中心，推动这种做法的是对80 PLUS铂级和钛级电源的要求，以提高能源效率。(80 PLUS是一个对计算机电源的能效进行评级的认证项目。)

图6:Yole认为从现在到本十年末，GaN功率器件在不同应用领域的增长非常强劲。来源:Yole集团

电动汽车/混合动力汽车和工业市场是否需要垂直GaN器件来实现向逆变器的飞跃?这些逆变器将电池中的高压直流电源转换为驱动汽车车轮或重工业机械的电机所需的交流电源。接下来的问题是，“业界会将资源投入GaN来实现垂直飞跃，还是会继续使用超高电压?”显然，这是一场赛马，只有时间才能告诉我们答案。

结论

尽管GaN市场与硅相比微不足道，但它们具有战略意义，非常有前景。IDM和晶圆厂正在与设备制造商和设计师合作，以最大限度地提高能效并降低成本。到本世纪末，用于功率和射频的氮化镓生产将出现巨大繁荣，设备供应商正与其客户合作，以确保最佳性能。该行业是否将这种合作延伸到本世纪末，以实现垂直GaN，或者SiC和硅是否将主导重要的高压逆变器市场，仍有待观察。

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