氮化镓

走向无缺陷批量生产

european flag 该项目受到了欧盟地平线2020研究与创新项目下玛丽居里赠款协议第101033102号的资助。

为什么氮化镓很重要?

氮化镓及其与铟( In )和铝( Al )的相关合金是常用于高亮度发光二极管( LED )和激光二极管等光电应用的材料。这是因为它们的发射波⻓复盖了从深紫外( DUV )到可⻅光到近红外的宽光谱范围,如下图所示。1, 2, 3 在2020 – 2021年的疫情背景下,使用基于AlGaN的深紫外LED辐照甚至被证明是非常有用的杀菌源,以灭活SARS-CoV-2。4 氮化镓由于其宽带隙以及较高的电子速度、击穿场强和热导率,在高频大功率电子设备5 如5G手机基充电器等方面也非常有吸引力。6 由于寻求提高效率、节省能源、降低成本的努力正推动着该行业的发展,提高结构质量较高的氮化镓衬底的产量势在必行。

室温下Ⅲ族氮化物合金的带隙能量作为晶格常数的函数(摘自E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, 2006)

氮化镓的生长

由于需要很高的熔化温度( 2200 ° C以上)和高于6 GPa的氮气才能实现氮化镓的一致熔化,氮化镓晶圆的的生产受到了阻碍。7 然而,在外衬底上生长氮化镓(称为异质外延)通常会由于晶格失配和热膨胀差的有害影响而产生更高的晶体缺陷。在激光二极管市场需求的推动下,只有最近才有与工业相关的结构质量和尺寸的大块氮化镓基片被商品化。大块氮化镓晶体(见下图)目前主要采用三种方法制备:

  • 汽相外延(Halide-VPE, Oxide-VPE and Halide Free-VPE)
  • 钠流技术
  • 非等温生长

由于这三种工艺在相比之前较低的压力和温度下运行,目前的努力在于发展可以产出直径大于2英寸的氮化镓衬底,并尽可能低的位错密度的晶体生长工艺。8 目前最低值为10²/cm²。


左图:经Halide-VPE方法制备的未加工的1英寸氮化镓晶块(图片来源:T. Sochacki, Institute of High Pressure Physics, Polish Academy of Sciences (IHPP PAS))。右图:经非等温生长方法制备的抛光过的2英寸氮化镓晶圆。(图片来源:R. Kucharski, IHPP PAS)。

市场进化

氮化镓市场自1993年首个氮化镓器件出现以来显示稳定增长。氮化镓的发展直接与欧盟委员会承认先进制造技术是欧洲产业竞争力、增长和创造就业的关键相一致。

氮化镓电力市场在手机快速充电器应用中采用后蓬勃发展,减少时间对于5G推进和延长电池寿命的需求变得至关重要。2020年初,OEM厂商选择了一款氮化镓基的收件箱快速充电器,用于他们发布的需要高功率密度、高效率和小形式因子的旗舰产品。

根据市场调研公司Yole Development在2020年5月所做的报告,到2025年射频氮化镓市场总额应会增加到20亿美元以上,复合年增长率( CAGR )为12 %。9 此外,尽管美中冲突涉及对华为的制裁,新冠肺炎的爆发也改变了半导体行业格局,但长期来看,氮化镓在电信领域的部署仍在增长。

2021年1月,财富商业Insights10 估计,在所有地区,对氮化镓器件的需求正受到新冠肺炎前所未有的和积极的影响。与2016—2019年的平均同比增长相比,2020年全球氮化镓器件市场将呈现1.03 %的增长。氮化镓市场预计将在2020-2027年间以4.28%的年复合增长速率从2020年的211.8亿美元增长到2027年的284亿美元。

走向无缺陷生产

氮化镓广泛应用的最大障碍之一是制造大直径无缺陷的晶片。即使是最微小的晶体缺陷也会对电子器件的亮度、输出功率和寿命产生负面影响。尽管氮化镓种植者正在努力避免晶体中产生大量缺陷,但缺陷问题仍然非常严重,主要原因有两个:

  1. 氮化镓晶体的生长过程难以实时控制。即使是生长过程中最微小的不稳定因素(例如1-2°C的温度偏差)也可能会在晶体形成时造成穿线错位(见下图)、空隙和裂缝。
  2. 当前的缺陷识别是在一个耗时的晶体切片和抛光程序后进行的。这意味着最初缺陷区域被切片抛光,然后被下游质量控制拒绝。该行业需要一种无损的、可以指出不完美晶体区域的质量控制工具,以避免昂贵的加工和降低制造成本。

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一个缺陷选择性刻蚀后的氮化镓晶圆表面(图片来源:J.L. Weyher, IHPP PAS)

参考文献
  1. Andreev BA, Kudryavtsev KE, Yablonskiy AN, Lobanov DN, Bushuykin PA, Krasilnikova LV, et al. Towards the indium nitride laser: obtaining infrared stimulated emission from planar monocrystalline InN structures. Sci Rep. 2018 Dec;8(1):9454.

  2. Ponce FA, Bour DP. Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices. Nature. 1997 Mar;386(6623):351–9.

  3. Kneissl M, Seong T-Y, Han J, Amano H. The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies. Nat Photonics. 2019 Apr;13(4):233–44.

  4. Liu S, Luo W, Li D, Yuan Y, Tong W, Kang J, et al. Sec‐Eliminating the SARS‐CoV‐2 by AlGaN Based High Power Deep Ultraviolet Light Source. Adv Funct Mater. 2021 Feb;31(7):2008452.

  5. Baron N. Power GaN. Patent lanscape. Yole Developpement; 2019 Nov. Available from: https://www.knowmade.com/downloads/power-gan-patent-landscape/

  6. Kareta N. GaN takes over mobile device charging. Available from: https://www.power-and-beyond.com/gan-takes-over-mobile-device-charging-a-939854/

  7. Utsumi W, Saitoh H, Kaneko H, Watanuki T, Aoki K, Shimomura O. Congruent melting of gallium nitride at 6 GPa and its application to single-crystal growth. Nat Mater. 2003 Nov;2(11):735–8.

  8. Kucharski R, Sochacki T, Lucznik B, Bockowski M. Growth of bulk GaN crystals. J Appl Phys. 2020 Aug 7;128(5):050902.

  9. GaN RF Market: Applications, Players, Technology and Substrates 2020. i-Micronews.com. 2020. Available from: https://www.i-micronews.com/products/gan-rf-market-applications-players-technology-and-substrates-2020/?utm_source=PR&utm_medium=email&utm_campaign=PR_RF_GaN-MarketUpdate_YOLE_May2020

  10. Gallium Nitride (GaN) Device Market Size, Share & Forecast, 2027. Available from: https://www.fortunebusinessinsights.com/gallium-nitride-gan-devices-market-103367

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