设备供应商为GaN市场爆发做好准备

在消费设备和许多应用中对更高能效的需求的推动下，一个巨大的GaN市场正在开放。供应商已经准备好了，但要在高压汽车应用领域与SiC充分竞争，还需要功率GaN(氮化镓)的进一步技术发展。

尽管如此，21世纪20年代标志着一个非常高增长的阶段氮化镓市场。电力GaN市场的收入正以59%的复合年增长率增长(2021年至2027年)，目标是在五年内达到20亿美元(根据Yole Group的power)氮化镓2022报告)。

引领高增长道路的是消费领域，到2027年，仅功率GaN就应达到10亿美元大关，其次是数据通信和汽车/移动。射频GaN市场也不疲软。在同一时期内，该市场将达到25亿美元，此后将保持高速增长，预测Yole．

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，”PowerAmerica联盟执行董事兼首席技术官维克多•韦利亚迪斯(Victor Veliadis)指出。“但是大众市场的压力会给公司带来很大的财务压力。因此，他们将面临更高产量、更高产量、更大晶圆的压力。”

幸运的是，GaN的制造在很大程度上可以用与硅CMOS相同的设备来完成。例外情况是开始时的关键外延步骤，随着功率GaN达到更高的电压，这将变得更加关键。然而，除了计划免疫之外，领先的设备供应商正与客户更加密切地合作，以应对日益增长的需求。

图1:Yole集团预测，2021年至2027年期间，功率GaN器件市场收入的复合年增长率超过59%，达到20亿美元。资料来源:Yole集团

过程分
GaN从肾上腺素开始。不同的是外延生长在何种晶圆上。这些初始晶圆可以是硅，碳化硅，蓝宝石，甚至块状氮化镓。这取决于设计选择和目标应用程序。但无论起始底物是什么，GaN外延都是复杂的。由于初始晶圆的晶体结构与最终的顶部GaN层不同(当然，除非你开始使用体积较大的GaN晶圆，其直径只有几英寸，这使得它们不那么吸引人)，因此需要缓冲层来实现晶体转变。

GaN外延应用于有机化学汽相淀积(金属)。“在GaN HEMT制造中，MOCVD工具是杰作。为此，有几家供应商，即爱思强、Veeco和Taiyo Nippon Sanso，”Yole复合半导体和新兴基材组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、再现性和产量控制。蚀刻工具也很重要，因为需要清洁的侧壁和光滑的表面。蚀刻工具的主要供应商有SPTS(一家KLA公司)，Lam Research和Oxford Instruments等。一般来说，设备供应商需要与客户携手合作，以更好地了解GaN制造工艺的要求。”

功率GaN市场的爆炸式增长是由消费手机充电器市场的采用所驱动的，在这个市场中，需要大规模生产和更低价格的更高产量。这意味着从主流的6英寸硅基板过渡到更大的晶圆尺寸。Yole Power & Wireless部门的团队首席分析师Ezgi Dogmus表示，如今，一些厂商已经拥有200毫米(8英寸)GaN-on-Si晶圆厂(Innoscience和X-Fab)，或者他们将在未来几年转向200毫米(英飞凌、意法半导体、Nexperia、BelGaN和台积电)。

在代工方面，X-Fab起步非常早。X-Fab SiC和GaN产品营销经理Agnes Jahnke表示:“作为第一家纯晶圆代工厂，我们利用位于德国德累斯顿的欧洲CMOS生产设施，为客户提供在200 mm GaN硅晶圆上加工高效高压功率器件的能力。”“目前还没有针对GaN晶圆的特定或专用工具。所有设备都设置为处理晶圆材料(硅和GaN-on-Si)。

然而，在运行中的CMOS晶圆厂中加工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，”Jahnke说。“还有许多与材料应力、破损概率、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良率为客户带来了显著的优势，使他们可以与idm和其他GaN厂商在市场上竞争。”

X-Fab将初始外延外包给国际合作伙伴，这提供了规模经济。这种策略也为无晶圆厂客户提供了灵活性，因为外延层的特殊性会影响器件性能。

垂直集成的idm通常更喜欢在内部完成epi。Transphorm是一家垂直集成的GaN制造商，致力于开发更大、电流更高的GaN芯片。Transphorm总裁兼首席运营官Primit Parikh表示:“Transphorm工艺的美妙之处在于，它与硅晶片厂的硅设备一起运行。“对于GaN epiwafer，我们在设备制造商生产的标准MOCVD设备上拥有我们的专有工艺，这些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。”

帕里克以Transphorm与爱思强(Aixtron)和Veeco合作为例。“这使我们能够直接控制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。”

将GaN功能添加到硅线是一个日益增长的趋势。考虑Wavetek,联华电子的5万/月的专业fab。它于2010年首次建成，2014年过渡到GaAs。GaN的宽频带隙和高频性能特性使我们能够提供具有优越外形尺寸和更高效率的产品，以满足对节能设备日益增长的需求。”

在射频领域，虽然Wavetek在通信基础设施应用方面拥有良好的市场份额，但这些应用都是采用DUV步进的PHEMT/HBT解决方案。“对于寻求更好的功率增益和更高输出功率的客户，我们还提供了向GaN射频技术的迁移路径，该技术使用黄金BEOL互连，”Jwo说。“我们一直在与我们的驾驶客户合作，开发用于sub-6GHz、mmWave和LEO卫星通信产品的GaN解决方案，我们将继续扩大我们在这一领域的影响力。简而言之，Wavetek团队在GaN电源和GaN射频技术开发方面与驱动客户密切合作。我们相信，GaN器件凭借其卓越的能效特性，将在向更绿色、低碳的未来过渡中发挥重要作用。”

图2:UMC正在其Wavetek Fab(也称为Fab 6A，位于台湾新竹)的CMOS生产线进行转换，以扩大大功率和RF GaN芯片的生产。批量生产计划在2023年进行。来源:Wavetek

供应商加大力度
设备供应商对GaN市场采取了不同的方法，其中一些比另一些更适应。但对所有人来说，灵活性是关键。

Veeco的技术副总裁Drew Hanser指出，他们公司使用相同的设备在硅和SiC衬底上进行生长，用于电源和射频应用。他说:“我们的气体注入方法在设计上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加热控制和优化的热环境，为200mm和300mm晶圆提供出色的温度均匀性。”

图3所示。Veeco的Propel 300 MOCVD系统用于大批量生产，具有单片反应器精度，适用于先进的gan基应用，配置为200mm和300mm。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，对于光刻轨道和清洁工具来说，最大的区别在于，由于SiC晶圆边缘的脆弱性，GaN-on-SiC需要小心处理。在清洗工具中，使用了特殊的刷，以最大限度地减少SiC衬底的磨损。对于计量和检查，薄膜厚度和光学系数被建模来测量GaN, AlN和AlGaN，同时多种照明选项和缺陷分析算法可用于检查透明晶圆。

D 'Urzo观察到:“GaN器件生产仍然以150和200mm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设备的生产。”

图4:Screen ZI-3500是用于150mm至300mm GaN和SiC晶圆的高速自动视觉检测(AVI)系统。来源:屏幕

展望未来，她认为在epi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，以及由次优MOCVD工艺产生的裂纹和滑移线。”“我们拥有一系列清洁工具，以确保先进的表面清洁工艺，而我们的检测工具ZI-3500可以以合理的吞吐量和低成本运营提供100%的晶圆采样。”

其他供应商正在采取更加专业化的方法。“通过一个持续的开发计划，Lam Research已经建立了一套用于GaN半导体器件制造的使能工艺解决方案，”David Haynes说，该公司的专业技术副总裁林研究的客户支持业务组。“这些能力的关键是一种基于原子层蚀刻的工艺，可以提供GaN和相关材料的超低损伤、原子级精密蚀刻。新的优化工艺可以降低蚀刻时GaN/AlGaN[氮化铝镓]的蚀刻后片电阻，同时蚀刻材料的表面粗糙度保持与入射外延层相当。这种高精度、低损伤蚀刻能力对于p-GaN或用于制造电力电子应用的正常GaN器件的凹栅高电子迁移率晶体管(HEMT)架构的形成至关重要。”

虽然这样的过程通常会很缓慢，但拉姆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。

Haynes说:“尽管GaN on SiC射频器件已经相对成熟，并且在高功率应用中仍然非常重要，例如在电信基础设施和国防中，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耗、高容量的消费产品应用。”“这些将与GaN-on-Si功率器件一起发展，它们面临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200mm和未来300mm晶圆上易于加工的机会，以及使用互补金属氧化物半导体(CMOS)代工能力甚至开发CMOS集成解决方案的潜力，都将成为这一转变的关键驱动力。”

图5:Lam的Kiyo45活性离子蚀刻(RIE)工具处理不能湿蚀刻的GaN和SiC材料。来源:Lam Research

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。Lam正致力于优化钝化过程本身和硅片的钝化前表面清洁。Lam还解决了晶圆背面和斜角上镓污染的挑战。当然，从150毫米晶圆过渡到200毫米晶圆还面临着重大挑战，Haynes说。“这就是为什么我们使用成熟的大批量制造工具开发解决方案的方法如此有意义。它提供了最好的200mm产能，同时为未来使用相同工具生产300mm提供了桥梁。”

包装的重要性
前端并不是发生进步的唯一地方。随着GaN进入新的领域，需要新的包装解决方案。QP技术(前身为快柏)是一家领先的微电子封装和组装、晶圆制备、衬底设计和开发服务提供商。QPT销售总监汤姆•比安奇(Tom Bianchi)表示:“包装是整体性能不可分割的一部分。”

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。GaN正在推动后端材料需求，以获得更好的模具连接和增强的线键合技术。他说:“这就是为什么QPT与设备制造商合作，加强线键合设计，以优化GaN射频性能。”

QPT提供晶圆精加工(细化，金属化和切块)，以及所有形式的组装，包括电源定制包装。硅基氮化镓电源器件的封装挑战之一是切丁，因为氮化镓比硅硬得多，而且容易成片。QPT解决方案涉及双轴切丁锯，可以使用两个不同的切丁刀片。一种是去除GaN，另一种是去除硅。QPT还与一家主要的切割设备供应商合作，在需要时提供激光划线和消融。

展望未来，Bianchi认为封装定制有改进的机会，以更好地处理功率热、低阻抗材料、封装设计和RF工艺。

垂直视野
从历史上看，今天的GaN功率器件源于最初为射频世界设计的hemt。这些是横向的，“始终在线”的设备，这是射频所必需的。但对于电力来说，“一直开着”是一种安全风险。电源设备需要“始终关闭”，因此GaN设计师已经制定了策略，使它们在打开之前保持关闭状态。

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，为了使功率器件能够处理更高的电压，源极和漏极之间的距离需要延长，缓冲层也需要变得更厚。

有很多工作正在进行中，以推动GaN电压更高。例如，2021年，imec和爱思强展示了GaN缓冲层的外延生长，可以在200mm QST衬底上应用1200v，硬击穿超过1800 v。imec表示:“1200v缓冲层的可制造性为电动汽车等基于gan的最高电压电力应用打开了大门，以前只有碳化硅(SiC)技术才能实现。”

然而，在横向器件中，支持更高的电压是有代价的。源极和漏极之间的距离是横向的，这意味着更大的芯片——这反过来意味着每片晶圆更少的芯片。至于横向GaN器件在提高电压方面能走多远，目前还没有定论。

另一个选择是垂直飞行。硅和碳化硅功率器件是垂直方向的，这意味着在结构上器件的源在顶部，电流向下(垂直)流到底部的漏极。为了增加设备可以处理的电压，所有需要做的就是使设备更厚，这样源就离漏更远。这为超高压领域提供了一个入口，该领域的应用需求范围从3.5kV的铁路牵引到10kV甚至更高的智能能源电网。

目前正在对GaN器件采取类似的方法，但制造垂直GaN功率器件存在很多问题。首先，这需要从上到下本质上完美的晶体结构，因此只能通过在块状GaN晶圆上进行GaN外延来增加厚度，而不能像横向GaN那样在硅晶圆上进行大缓冲层。然而，散装GaN晶圆非常小，从1到4英寸不等。这引发了一个通过生产越来越大的晶圆来应对生产率挑战的行业的财务挑战。(和碳化硅的表亲一样，GaN晶块(又名锭)体积小，生长缓慢)。有利的一面是，垂直GaN器件非常小，所以你可以在晶圆上安装更多的GaN器件。

正如Veliadis所指出的，要做垂直GaN，“你需要大的衬底，合理的成本，良好的质量。然后，你将需要特定的垂直GaN工艺，这些工艺在硅中不存在，你需要开发这些工艺，你需要为这些工艺提供工具。”所有这些都需要对整个行业进行大量投资。与此同时，碳化硅已经领先了10年。

尽管NexGen和Odyssey Semi等公司表示已经接近商业化，但垂直GaN技术尚未实现商业化。imec也在进行相关研究。然而，Veliadis指出，由于横向GaN功率器件的可用市场有一个巨大的600V的甜蜜点，垂直器件的研究资金正在减少。

正如Yole所指出的(见图6)，GaN功率器件目前主要用于手机的大容量快速充电器和小容量高端光伏逆变器市场。这些横向设备也在车载充电器(将墙壁插座的交流电转换为针对电动汽车电池优化的直流)、DC/DC转换(将400或600V汽车电池的直流电源降低到所有配件所需的12V或48V)和数据中心等汽车领域取得进展。Yole专家表示，在数据中心，80 PLUS铂级和钛级电源的需求推动了这一趋势，以提高能源效率。(80 PLUS是一个评估电脑电源能效的认证项目。)

图6:Yole认为，从现在到本世纪末，在不同应用领域，GaN功率器件的增长非常强劲。资料来源:Yole集团

垂直GaN器件是否需要实现EV/HEV和工业市场逆变器的飞跃?这些逆变器将电池中的高压直流电源转换为电机驱动汽车车轮或重型工业机械所需的交流电源。接下来的问题是，“业界是否会将资源投入到GaN中以实现垂直飞跃，或者超高压仍将是SiC和硅的领域?”显然，这是一场赛马比赛，只有时间能证明一切。

结论
虽然与硅相比，GaN市场很小，但它们具有战略意义，非常有前景。idm和铸造厂正在与设备制造商和设计师合作，以最大限度地提高能源效率并降低成本。到2020年年底，用于电源和射频的GaN生产将出现巨大的繁荣，设备供应商正在与客户合作，以确保最佳性能。该行业是否会将这种合作扩展到十年末，以实现垂直GaN，或者SiC和硅是否会主导重要的高压逆变器利基市场，仍有待观察。

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