站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 （下）

外延生长（Epitaxy），是指在原有半导体晶片之上生长出新的半导体晶体层的技术。主要用CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）设备，或者MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）设备实现。原有的晶体称为衬底（substrate），生长出的新晶体层称为外延层。

“GaN衬底材料的成本是限制GaN器件商业化应用的主要因素。”

由于GaN材料硬度高，熔点高等特性，衬底制作难度高，位错缺陷密度较高导致良率低，技术进步缓慢。因此GaN晶圆的成本仍然居高不下

2005年2寸的GaN衬底片成本2 万美元，现在GaN2寸衬底价格仍然在3000美元水平。对比之下，4寸GaAs衬底成本仅需100-200人民币。

采用外延技术，可以将GaN生长在SiC、Si、蓝宝石、金刚石等其他材料衬底上，有效的解决GaN衬底材料的限制问题。GaNonSiC和GaNonSi是未来的主流技术方向。

GaNonSi

GaN on Si：在Si基板衬底上制作GaN晶体，也能使用和在蓝宝石衬底上生长的低温堆积缓冲层技术，实现与蓝宝石基板上的GaN基本相同的晶体缺陷密度（贯通位错密度）。但由于Si基板衬底与GaN性质差异更大，在Si基板上制造时的难题更多的是热膨胀系数差导致的裂纹。GaN与Si的热膨胀系数差较大，因此在生长GaN后进行冷却时会产生非常大的应力，导致有裂纹产生。

GaN on Si外延生长上可采用多层构造防止裂纹：在GaN层与Si基板之间设置AlGaN/GaN多层构造的“形变控制技术”来防止裂纹。

目前实现了产品化的GaN功率元件大多是在口径6英寸的Si基板上制造，至少6英寸口径的基板已经解决了裂纹问题。想要进一步降低价格，就必须扩大口径。以比利时微电子研究中心（IMEC）为首，全球正在推进采用8英寸Si基板的GaN开发。日本英达公司已与Transphorm公司签订了GaN功率元件的前工序生产受托合同，将在日本英达的筑波事务所导入支持8英寸基板生产的前工序生产线。

国内英诺赛科也宣称实现了8英寸GaN on Si外延生长。

GaN-on-Si未来主要有两条发展路径：

第一是向大功率器件方向发展，通过系统级封装做成模块化产品。

第二是在中低功率领域SoC化，集成更多被动元件、射频驱动等。业界有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步降低用户的使用门槛。

目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，提升外延质量，期望替代昂贵的SiC衬底。

GaNonSiC

GaN on SiC：同样在GaN on SiC上做外延生长需要注意晶格失配和热膨胀不匹配原因造成的裂纹或弯曲，从而影响GaN器件的性能和良率。目前转移和协调释放SiC基板上制备GaN外延材料失配应力的方法有：应力协变层技术（包括缓冲层、柔性层、插入层等）和图形衬底技术。

GaN on SiC外延，SiC衬底散热性更好，而且与氮化镓晶格不匹配问题比Si小。限制在于SiC衬底晶圆的尺寸还做不大，目前尚未超过6寸。

采用SiC为衬底的GaN外延生长方法示例：

MOCVD生长依次将氮化钛层、氮化铝层和氮化镓层沉积在SiC衬底上，气氛是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基钛(TDEAT)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、Ti和N源，以氢气(H2)为载气。

首先，将SiC衬底置于1200oC反应室进行前烘300s，降温至500oC，通入氨气8000sccm对衬底进行氮化；

然后通入TDEAT三甲基钛气体，流量控制在40sccm，并继续通入氨气8000sccm，时长80s，进行氮化钛沉积，250s进行复原；

然后通入TMAl三甲基铝气体50sccm，10000sccm氨气，时长100s，进行氮化铝沉积；

最后通入TMGa三甲基镓气体。80sccm，15000sccm氨气，时长150s，进行氮化镓沉积，对反应室气氛复原，完成缓冲层生长。

*各家GaN外延生长方法knowhow不一样，属于机密配方

图形衬底技术：对复合缓冲层进行感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术做图形化刻蚀孔形、柱形、条形的一种或多种，并周期性排列，图形由窗口区域和台面区域组成，图形深度小于复合缓冲层厚度，外延生长GaN时，气体原子在台面上反应成核，衬底上被可使的部分即窗口区域，不易成核，膜层沿垂直台面方向生长，在纵向生长的同时也进行横向生长，随着厚膜的生长，相邻台面的横向生长区域可以达到合并，当横向生长达到一定程度后氮化镓外延层便能覆盖整个缓冲层表面。图形衬底技术利用纵向生长和横向生长的合并，可以降低或抑制位错在氮化镓外延层的延伸，从而提高氮化镓外延层的晶体质量。

设计

在硅基芯片中，EDA工具随着摩尔定律一起发展多年，已经形成了相当成熟和极为复杂的一套设计工具。由于CMOS器件工艺标准化程度极高，EDA工具更加侧重电路级的仿真。

在GaN和SiC芯片领域，设计和仿真更偏重器件级，以及更类似简单硅基模拟电路，核心原因是：

GaN和SiC的材料特性主要体现在器件层面，包括对MOSFET、HEMT等器件结构设计的优化。

GaN和SiC芯片的主要使用场景，包括RF和Power，都是模拟芯片场景。

GaN和SiC发展较晚，且长期以来器件的进展比较缓慢，目前还没有发展到大规模集成电路阶段。

以GaN射频为例：

无源电路主要用ANSYS的HFSS，Integrand公司旗下的EMX，是德科技旗下的ADS Momentum等仿真工具。

有源电路通常采用Foundry提供的有源器件model，因为有源电路的仿真准确度较低。

器件物理级别的仿真，最常用的是Synopsis旗下的Sentaurus，包括器件仿真、制程仿真等功能非常完善。此外，Comsol也是一个优秀的仿真工具。但这些仿真基本上只能模拟直流特性。

器件的高频特性，或者说高频model，一般都是依赖设计者自己画测试结构，实际测试并提取参数，这样最准确。仿真一般只能模拟单个特征频率或者截止频率。

行业领先的GaN/SiC公司如Infineon、Qorvo、GaN Systems、Modelithics也都在积极开发自己的设计工具和模型库。

制造

GaN和SiC芯片的制造是产业链的核心环节。其制造过程与硅基芯片类似，都需要复杂的半导体芯片制造工艺和流程，基本上每一类工艺都对应一种专用的半导体芯片设备，在微米和纳米尺度进行制造。

芯片制造环节最重要的是产品良率、生产效率、稳定性。由于处理的材料不同和结构不同，制造设备之间也无法通用。因此，GaN器件、SiC器件都必须建立独立专用的制造产线。

（编辑：核心网）

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