多孔氮化鎵的案例
Micro LED | JBD與多孔氮化鎵技術公司Porotech達成合作；剛完成數億元Pre-A輪融資
據介紹，JBD公司是Micro-LED顯示技術領域的一家前沿公司，而Porotech將在該合作關系下，為JBD公司提供其專有的多孔氮化鎵(GaN)技術，以助力其開發出改變整個電子顯示行業的技術和產品。
Porotech公司的多孔氮化鎵技術是顯示技術的突破，它意味著在未來，再小的顯示設備也能顯示高亮度、高清晰和更生動的畫面。另一方面，近些年市場上新推出的Micro-LED也是智能手機、智能手表和VR/AR頭戴式設備等產品實現下一個飛躍的潛在技術。相比較于OLED，這種技術可以實現高亮度顯示，它在戶外環境中特別有用——可以提高顯示對比度，傳統顯示技術中，太陽光經過顯示器反射會極大降低顯示器的畫面對比度。
當前的Micro-LED技術有著一個很大的問題，那就是其性能會隨著設備尺寸的減小而惡化。不過，Porotech公司開發出了一種新型多孔GaN半導體材料，并憑借此技術重新定義了Micro-LED的潛力。另外，這種技術也非常適合大規模生產的性能改進，甚至還可以根據個別客戶的需求進行定制設計和生產。
就在去年，Porotech公司推出了全球首款用于Micro-LED 應用的商用原生紅色銦氮化鎵 (InGaN) LED外延片。JBD現在計劃使用Porotech公司的多孔GaN技術來制造InGaN基紅色Micro-LED顯示器，并將其用于VR/AR頭戴式設備、AR智能運動護目鏡和平視顯示器等應用。
展開 熱度不減的氮化鎵
來源：半導體行業觀察
隨著基于硅的技術發展逐漸接近極限，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等為代表的第三代半導體迎來了爆發風口。其中，SiC和GaN作為目前最為成熟，商業化程度最高的第三代半導體材料自然風頭正盛。此前，我們曾在《“拯救”SiC的幾大新技術》一文中詳細介紹了SiC材料，這次我們來詳解下GaN。
氮化鎵主要是由人工合成的一種半導體材料，禁帶寬度大于2.3eV，也稱為寬禁帶半導體材料，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料。相比“得碳化硅者得天下”，氮化鎵就顯得低調許多，1969年日本科學家Maruska等人才在藍寶石襯底表面沉積出了氮化鎵薄膜，本世紀初氮化鎵進入了飛速發展階段。2019年，氮化鎵作為第三代半導體的主要材料之一首次進入主流消費應用，并在2020年因小米氮化鎵充電器而引發關注。
低調卻“吸金”
雖然沒有碳化硅那么火爆，但氮化鎵的吸金程度也毫不遜色。據筆者不完全統計，除了國外的ST、英飛凌和PI等企業一馬當先以外，國內的英諾賽科和納微也發展迅猛，到這也擋不住氮化鎵的發展浪潮。
據不完全統計，2021年國內超9家氮化鎵相關企業獲得了超12輪的融資，其中禹創半導體、鎵未來、能華微電子等3家企業都完成了2輪融資，從透露的投資額來看，芯元基完成了逾億元B輪；南芯半導體完成了近3億元D輪融資；能華微電子則是完成了數億元C輪。此外，2021年封測巨頭晶方科技入局氮化鎵，投資了以色列VisIC Technologies Ltd．，環旭電子也宣布投資氮化鎵系統有限公司，加碼功率電子戰略。
展開 硅基氮化鎵的投資思考
來源：水深三米
作者：滿川愛潛水
國內氮化鎵賽道的投資價值
一、氮化鎵賽道的投資價值
第三代半導體的材料特性帶來其對硅基功率器件部分市場的逐步替代，這一點不斷通過市場應用的驗證，已基本成為共識。
相比碳化硅，目前硅基氮化鎵的主要劣勢包括耐壓等級低和缺乏可靠性的驗證數據。另外，由于硅基氮化鎵整體產值低，尚未形成規模效應，導致成本相比碳化硅并沒有形成優勢。
但目前硅基氮化鎵廠商正在通過外延、器件結構、驅動控制電路推動產品向高耐壓（目前已有1200v的產品）和高可靠性（目前已有高壓器件的理想可靠性數據）不斷演進，且氮化鎵器件的售價已經逼近硅MOS，產品性能、品質、成本不斷逼近甜蜜點。
另外，相比碳化硅，硅基氮化鎵材料本身可以提供更高的電源效率和更低的成本，在600V至1200V區間，硅基氮化鎵會成為非常具備競爭優勢的技術方向。
另外，隨著碳化硅在汽車、光伏市場的不斷應用，國內外動不動幾十億甚至上百億產值的投資，直觀感受感覺碳化硅的市場規模很大，而用于小小充電頭的氮化鎵感覺市場規模要小很多。根據Yole發布的數據，2025年碳化硅的市場規模為25億美金，2026年氮化鎵市場規模預測數據為10億美金，乍一看確實碳化硅的整體產值確實是氮化鎵的好幾倍。
但碳化硅和硅基氮化鎵對于國內大部分企業的機會產值實際相當：
一是考慮襯底的產值。成本結構不同，沒有襯底環節的碳化硅企業機會產值大打折扣。碳化硅襯底的成本約50%，外延片的成本約20%，器件制造封測的成本是30%。
展開 氮化鎵產業鏈全景圖
行業主要上市企業:
目前國內氮化鎵行業的上市公司主要有華潤微(688396)、三安光電(600703)、士蘭微(600460)、聞泰科技(600745)
本文核心數據:
氮化鎵行業產業鏈、氮化鎵行業產業鏈全景圖、氮化鎵行業產業鏈生產企業熱力地圖
氮化鎵行業產業鏈全景梳理:氮化鎵制造涉及多個環節
在上游供應方面,碳化硅襯底
的原料包括石英礦、石油焦,氮化鎵的原料主要從硝酸鹽、金屬鎵中獲取;在中游制造方面,最主要的工序即襯底和外延生長,這是材料技術的關鍵點所在;在下游應用方面,氮化鎵一般用于器件/模塊的制造,最終形成半導體產品應用于各個領域。
GaN產業鏈按環節分為Si襯底(或GaN單晶襯底、SiC、藍寶石)、GaN材料外延、器件設計、器件制造、封測以及應用。各個環節國內均有企業涉足,如在射頻領域,SiC襯底生產商有天科合達、山東天岳等,GaN襯底有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業有晶湛半導體、聚能晶源、英諾賽科等。蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時涉足多環節,力圖形成全產業鏈公司。
氮化鎵行業產業鏈區域熱力地圖:廣東省分布最集中
從我國氮化鎵產業鏈企業區域分布來看,我國氮化鎵行業產業鏈企業主要分布在廣東省,其次是福建省。其余地區雖然有企業分布,但是數量較少。
從代表性企業分布情況來看,江蘇省代表性企業分布最多,如蘇州納維、晶湛半導體、英諾賽科等。
展開 
氮化鎵“上車”，能行嗎？
在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席執行官 Jim Witham 介紹了一款 All-GaN（全氮化鎵）汽車，采用可再生能源的太陽能蓄電池，證明了 GaN 在汽車功率轉換方面的可行性，同時也證明了GaN適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應用。
安世半導體也前行在讓GaN“上車”的路上，據安世半導體MOS業務集團大中華區總監李東岳介紹，安世半導體已經采用GaN材料開發出針對900V高壓的車載產品，且未來還有針對1200V產品的計劃，這打破了GaN僅適用于中低壓產品的傳統思維。
“電動汽車對高效率、高功率密度有著嚴苛的要求。通過節約零組件對車內空間的占用，讓乘坐空間更加舒適。針對高功率密度、強續航能力等需求，目前的硅功率半導體材料器件已經發展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關速度比硅MOSFET快很多，在高效率和高功率密度方面更能符合電動汽車的需求。”
展開 氮化鎵為何是未來行業的重點
從 3G 到 5G 的演進過程當中，信號的調制方式都在不斷演進，這就讓氮化鎵逐漸成為了行業關注的重點。
氮化鎵帶來的優勢，例如：使得氮化鎵的成本有了大幅度的下降，可靠性和高效率也有所提升，這是以前的 LDMOS 或砷化鎵等工藝器件所不具備的。
先看 PA 方面，氮化鎵能帶來的提升包括三個方面，具體來看一下吧。
一．能支持更高信號帶寬
這是由氮化鎵的低寄生容性和高阻等特性決定的；
二．具備更高的效率
這是由其低射頻損耗帶來的；
三．可以輸出更高的功率。
在高頻段、寬帶寬的應用下，想要在提高功率的同時保持更好的線性，對器件要求相當大，而氮化鎵的特性，讓它們能輕易應對這種挑戰。
和傳統的砷化鎵器件相比較，在同樣條件下，氮化鎵的壽命和使用時間都比砷化鎵高很多。
在器件節溫來看，氮化鎵器件的表現比砷化鎵器件高很多。
從 5G 基站的需求看來，他們要求器件能支持更多的頻段，同時還能做到小型化，這在毫米波時代需要 128T 甚至 256T 的天線陣列的前提下，更是必須的；此外，硬件成本也是限制 5G 基站發展的一個重要因素；最后，功耗也是運營商需要考量的一個關鍵。
從天線角度看，如圖所示，天線陣列應該采用鍺化硅工藝制造。但采用這種工藝設計的天線，輸出功率大不了。因為一旦功率過高，器件的效率就達不到。這就意味著在同樣的 EIRP 的情況下，所需的天線路數更多。來到砷化鎵方面，功率則可以做到相對高一點。
展開 氮化鎵的合成制備及展望
目前使用最多的襯底是藍寶石(
Al2O3
)，此類材料由于制備簡單，價格較低，熱穩定性良好，且可以用于生長大尺寸的薄膜而被廣泛使用，但是由于其晶格常數和線膨脹系數都與氮化鎵相差較大，制備出的氮化鎵薄膜可能會存在裂紋等缺陷。與此相比，碳化硅在與氮化鎵的晶格常數和線膨脹系數的差異比藍寶石要小得多，制備出的薄膜質量也較好，但由于該襯底價格昂貴，還不能被廣泛使用。此外，利用氮化鎵本身或者氮化鋁是最為理想的襯底材料，但目前該類襯底還不能用于制備大尺寸的薄膜。綜上所述，今后如果能研究出與氮化鎵更匹配且價格適中的襯底材料，那么對有關薄膜制備的技術以及LED 產業的發展將有重要意義。
二、 納米氮化鎵的制備
與制備單晶GaN 相比，制備納米GaN 要相對容易一些。目前在國外的一些文獻中報導了某些制備納米GaN 的方法，使用這些方法可以制作出各種形態的納米氮化鎵，如納米粉末，納米線，納米棒等等。比如溶膠凝膠法，化學氣相沉積法，無機熱熔法等。
1.溶膠凝膠法
溶膠凝膠法(sol-gel)法一般采用鎵的某些配合物為前驅物，如用檸檬酸作為絡合劑，與鎵離子絡合形成[Ga(C6H6O7)]-絡離子，然后在80~90℃左右的溫度下進行充分攪拌至糊狀后繼續攪拌2h 左右，自然冷卻即可得到透明凝膠，該物質為Ga2O3 前驅物。再將前驅物置于馬弗爐中以400 ℃左右的溫度加熱3~4h，可以將凝膠中混有的有機物充分分解。該過程可以將前驅物進一步提純，以制備更好的納米氮化鎵粉末。將加熱后的前驅物置于清潔的石英舟上，放入管式爐中，先用流動的N2 在較低溫度下烘干，以蒸發凝膠中的殘余有機物。
展開 為什么要特別關注氮化鎵（GaN）？
基于氮化鎵半導體的深紫外發光二極管（LED）是紫外消毒光源的主流發展方向。
GaN相關上市公司
三安光電：GaN 射頻、功率器件、深紫外 LED 芯片全布局
海特高新：GaN 器件代工
聞泰科技：車規 GaN 電源供應商
其他廠商：華燦光電、士蘭微
文稿來源：新材料情報NMT
6吋氮化鎵單晶面世！關鍵技術揭秘
國內企業氮化鎵單晶進展
放眼國內，近幾年內，
吳越半導體
、
蘇州納維
、
廣東光大
、
上
海瀚鎵
和
鎵特半導體
以及
東莞
中稼
在氮化鎵單晶方面均取得了良好成果。
2021年12月，吳越半導體舉行了GaN晶體出片儀式，展出了全球范圍內
首次
厚度突破
1 厘米
的氮化鎵晶體。
據悉，2020年2月，吳越半導體、先導集團與高新區管委會簽訂合作協議，在無錫高新區實施
2-6 英寸氮化鎵自支撐單晶襯底產業化項目
——首個落戶于無錫先導集成電路裝備材料產業園的項目。
2021年1月，蘇州納維舉行總部大樓奠基儀式，項目建成后，GaN單晶襯底及外延片年產能達
5萬片
。在2017年，該公司推出4英寸GaN單晶襯底，并突破了6英寸的關鍵核心技術。
2021年9月，東莞增補了
6
1個
2021年第三批市重大項目，其中包括廣東光大的
氮化鎵項目
，總投資額高達
44億
元，建成后將生產2-4英寸氮化鎵襯底等產品。
2021年8月，根據《瀚鎵GaN自支撐晶圓制造關鍵技術研發與產業化》項目的環評公示，上海瀚鎵半導體科技有限公司將在上海市浦東新區建設“4英寸GaN高質量自支撐晶圓的研發及中試”。
2020年3月，鎵特半導體宣布開發出4英寸
摻碳半絕緣GaN晶圓片
。據悉，該公司已初步具備自支撐氮化鎵晶圓片產業化生產條件，4英寸自支撐氮化鎵晶圓片厚度達
800μm
。
2018年2月，東莞中稼半導體宣布，在國內
首次
試產4英寸自支撐GaN襯底，并計劃于同年年底實現常規
量產
。
展開 關注 | 越來越重要的氮化鎵
大多數 LED 屏幕以及現在大量室內照明的 LED 燈中使用的都是金屬鎵。雖然它不像硅那樣廣為人知，但它正在接管硅曾經占據主導地位的許多領域——從天線到充電模塊和其他被稱為“電力電子”的能量轉換系統。在此過程中，它實現了一系列令人驚訝的新技術，從更快充電的手機到更輕的電動汽車，再到運行我們使用的服務和應用程序的更節能的數據中心。
作為從巖石中提取鋁的副產品，鎵的熔化溫度很低，以至于當您將其握在手中時，它會變成一種流動的銀白色液體。就其本身而言，它并不是非常有用。
但如果將其與氮結合，制成氮化鎵，它將變成具有寶貴特性的堅硬晶體。這種被稱為第三代半導體的材料現在開始出現在許多自動駕駛汽車中使用的激光傳感器、支持當今快速蜂窩無線網絡的天線中，并且越來越多地出現在對提高可再生能源收集效率至關重要的電子產品中。
許多由氮化鎵（也稱為 GaN）制成的的東西正在電力電子領域發生變化。今天，您可以購買帶有足夠電量的小型 USB-C 充電器，它可以同時為您的筆記本電腦、手機和平板電腦供電，即使它們并不比我們的小工具多年來隨附的功率低得多的版本大很多。
將一種電壓電平轉換為另一種電壓電平的電力電子設備也是電動汽車許多方面的關鍵。芯片制造商 GaN Systems 的首席執行官 Jim Witham 表示，它們更小、更輕、更高效并且散發的熱量更少，因此電動汽車充電后可以行駛更遠。他補充說，這些產品也非常擅長從太陽能電池板等可再生能源中榨取更多的電力。在多次發生時，即使是很小的電力轉換效率也會增加，例如在包括電池存儲的可再生能源電網中。
GaN 可能是一種奇跡材料，但它面臨著來自久經考驗的真正硅和越來越多的新材料的競爭，這些新材料顯示出徹底改變我們的電子產品的潛力。
展開 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
圖5：兩種結構的氮化鎵晶體管
級聯結構的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個低壓的硅MOSFET級聯在一起，該結構的好處是其驅動與傳統硅MOSFET的驅動完全相同
（因為驅動的就是一個硅MOSFET）
，但是該結構也有很大的缺點，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向導通電流時又存在體二極管的反向恢復問題。其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開通和關斷過程中漏極對源極出現的振蕩就是氮化鎵源極對門極的振蕩，由于此振蕩時不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開通和關斷的可能。最后由于是兩個功率器件級聯在一起，限制了整個氮化鎵器件的導通電阻的進一步減小的可能性。
由于級聯結構存在以上問題，在功率半導體界氮化鎵晶體管的主流技術是增強型氮化鎵晶體管。以英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管CoolGaN為例，其詳細結構如圖6所示。
圖6：CoolGaN結構示意圖
如圖6所示，目前業界的氮化鎵晶體管產品是平面結構，即源極，門極和漏極在同一平面內，這與與超級結技術
(Super Junction)
為代表的硅MOSFET的垂直結構不同。門極下面的P-GaN結構形成了前面所述的增強型氮化鎵晶體管。漏極旁邊的另一個p-GaN結構是為了解決氮化鎵晶體管中常出現的電流坍陷
(Current collapse)
問題。
展開 
使用氮化鎵(GaN)提高電源效率
與硅相比，氮化鎵具有非常低的特定RDS(ON)，因此開關更小，并且COSS也更低。這意味著更小的氮化鎵器件可以處理與更大的硅器件相同的功率水平。
圖3：相較于硅MOSFET，氮化鎵器件的總損耗更低
較低的RDS(ON)和較小的COSS損耗相結合，可以使用氮化鎵設計出更高效率的電源，從而減少散熱。所需耗散熱量的降低也有助于縮小電源尺寸。頻率是設計者可以用來減小尺寸和優化使用氮化鎵的電源性能的另一個手段。由于氮化鎵本質上比硅更高效，因此有可能提高基于氮化鎵的電源的開關頻率。雖然這會增加損耗，但它們仍會顯著低于硅MOSFET的損耗，并減小變壓器的尺寸。
變壓器結構的實際限制和電路中的寄生元件限制了開關頻率可以有效地提高到何種程度。在實際設計中，對于額定功率為≤100W的基于氮化鎵的反激式適配器來說，能夠提供效率、尺寸和低成本的最佳組合的開關頻率可以低于100kHz。對于氮化鎵而言，限制因素不是開關速度。隨著COSS的大幅減小，設計者有了更大的靈活性，可以針對損耗優化開關頻率，達成一個卓越的解決方案。
利用氮化鎵提高電源效率
電源效率的提高究竟是如何實現的呢？舉例來說，對于一個使用硅MOSFET的65W反激式適配器，其效率曲線在10%負載下處于約85%的范圍內，在滿載時將達到90%以上（見圖4）。而一個使用Power Integrations (PI)公司基于氮化鎵的InnoSwitch?器件的65W反激式適配器，其效率在10%負載下將約為88%。在滿載時，這款氮化鎵設計的效率將達到約94%。假如用氮化鎵器件取代硅MOSFET，在整個負載范圍內將可實現約3%的效率改進。
展開 半導體材料：GaN（氮化鎵）的詳細介紹
GaN/氮化鎵 - MGZ31N65的特性：
650V, 6.5A, RDS (on)(typ.)= 250mΩ@VGS = 8V
非常低的QRR
減少交叉損失
符合RoHS標準和無鹵素要求的包裝
臺灣美祿在GaN/氮化鎵領域頗有建樹，技術以及產品方面已經很完善，如果想了解更多GaN/氮化鎵的技術資料，歡迎致電聯系：133 9280 5792(微信同號)
光伏也用氮化鎵！英飛凌搶先進入
MicroGaN GmbH
致力開發GaN-on-Si電子元件
據行家說三代半風向了解，
德國
還有一個團隊也在研發氮化鎵光伏逆變器。
早在2012年，德國烏爾姆大學衍生公司
MicroGaN GmbH
團隊就與
博世
、
英飛凌
的開發部門合作，共同研究開發
GaN-on-Si
電子元件，目標是將其將應用于電信、消費電子、汽車以及
光伏領域
的電源系統。
該團隊表示，這些“快速、小型、高功率密度開關”的氮化鎵器件可用于太陽能逆變器，以降低設備成本并
提高太陽能發電量
。
在2010年，MicroGaN GmbH就與
Diotec Semiconductor AG
達成合作，共同開發設計
600V
的氮化鎵整流器器件，這種器件非常適合高頻開關電路，例如功率因數校正 (PFC) 和逆變器電路。它們
提高了PFC效率
，尤其是在部分負載條件下，驅動器和太陽能逆變器的功率損耗可以顯著
降低
。
展開 關于氮化鎵器件的未來，英飛凌是這樣看的
但是漸漸地，氮化鎵可以在多片集成和單片集成中也體現出優勢。而英飛凌的著重點是所有領域，因為英飛凌在氮化鎵領域有一個很大的企圖心，希望在所有領域都有所成長和貢獻。”鄧巍補充說。
英飛凌提供的完整的GaN解決方案
這也是英飛凌在推出GaN器件的同時推出Eice DRIVER 驅動芯片的原因。在鄧巍看來，并不是所有的客戶都有很好的研發能力來驅動氮化鎵的產品，驅動不好就代表它的優勢不能最大化。因此英飛凌自主研發了氮化鎵的三款不同的驅動器，提供最佳穩健性。聯合氮化鎵的開關共同使用，能提供最好的效率和最小的研發投入。
在問到如定位硅、碳化硅和氮化鎵的市場的時候。鄧巍告訴半導體行業觀察的記者：“目前，硅是主流，氮化鎵和碳化硅是作為一種補充的方案， 在硅達不到的性能和指標的情況下，氮化鎵和碳化硅開始發揮作用”，“這個材料有一個很大的特點，那就是高效能、高頻率，在那些硅不能滿足需求的應用，氮化鎵可以去覆蓋。未來硅和GaN的市場會同時發展”，潘大偉補充說。
來源半導體行業觀察 李壽鵬
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