第三代半导体-氮化镓GaN技术洞察.pdf
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1、第三代半导体-氮化镓(GaN)技术洞察报告2021 insight of Innovation2021 insight of Innovationin Wide bandgap semiconductor(GaN)industry氮化镓技术概况 技术简介 技术发展现状 技术创新概况2氮化镓(GaN)简介3产业链成熟、成本低,适用于低压、低频、中功率场合,是目前半导体器件和集成电路主要制造材料高频性能较好,广泛应用于卫星通信、移动通信和GPS导航等领域。但资源稀缺,有毒性,对环境危害较大宽禁带、高击穿电场强度和高热导率,具有可见光至紫外光的发光特性。适用于半导体照明、高压、高频、大功率领域1.1
2、21.12第一代半导体第一代半导体硅(Si)锗(Ge)第二代半导体第二代半导体砷化镓(GaAs)磷化铟(InP)第三代半导体第三代半导体氮化镓(GaN)碳化硅(SiC)禁带宽度(禁带宽度(eV)eV)1.41.42.32.3氮化镓材料定义氮化镓材料定义:氮化镓(GaN)主要是由人工合成的一种半导体材料,禁带宽度大于2.3eV2.3eV,也称为宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料氮化镓材料氮化镓材料为第三代半导体材料的典型代表,是研制微电子器件、光电子器件的新型材料氮化镓(GaN)技术及产业链已初步形成,相关器件快速发展4氮化镓单晶衬底氮化镓单晶衬底器件芯片设计器件芯片设计+制造制造+封测封测芯片的
3、应用场景芯片的应用场景衬底衬底n n-GaNGaNp p-GaNGaN发光层发光层n n-电极电极p p-电极电极发光二极管发光二极管LEDLED氮化镓基氮化镓基FETFET氮化镓肖特氮化镓肖特基二极管基二极管汽车汽车显示显示快充快充手机手机智能电网智能电网5G5G基站基站紫外杀菌紫外杀菌军工雷达军工雷达初始阶段初始阶段19861986年年-19941994年年飞速发展阶段飞速发展阶段19981998年年-20072007年年LEDLED大规模商用化、大规模商用化、功率功率/射频器件快速发展射频器件快速发展20082008年年-至今至今技技术术发发展展日本科学家Maruska等人采用氢化物气相
4、沉积技术在蓝宝石衬底表面沉积出了氮化镓薄膜,但质量较差萌芽阶段萌芽阶段19691969年年1、1986年,赤崎勇和天野浩采用MOCVD法获得了高质量GaN薄膜,并于1989年在全球首次研制出了PN结蓝光LED2、1992年,中村修二以双异质结构代替PN结,研制出高效率GaN蓝光LED 1、1998年,美国Cree公司开发首个碳化硅基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)US6486502B12、LED照明商业化1、2014年,英飞凌收购IR公司2、2019年,美国Cree公司陆续出售LED相关业务,聚焦GaN射频器件和SiC电力电子器件1、2008年,美国Cree公司推出首个氮化镓射频器件2、2
5、009年,EPC公司推出第一款商用增强型氮化镓(eGaN)晶体管3、2010年,IR公司推出商用GaN集成功率器件产产业业范范畴畴氮化镓(GaN)应用范围广在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛,支撑新基建快速发展在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛,支撑新基建快速发展支撑“新基建”建设的关键核心器件支撑“新基建”建设的关键核心器件:氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率代表性材料,下游应用切中“新基建”中 5G 基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域高效电能转换,助力“碳达峰,碳中和”目标实现高效电能转换,助力“碳达峰,碳中和”目标实现:第三代半导体可助力实现光伏、风电(电能生产
6、),直流特高压输电(电能传输),新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源(电能使用)等领域的电能高效转换,推动能源绿色低碳发展5数据来源:苏州晶湛半导体全球氮化镓(GaN)产业规模呈爆发式增长功率器件和射频器件将形成百亿级产业规模功率器件和射频器件将形成百亿级产业规模20202020-20262026 氮化镓功率器件市场规模及预测氮化镓功率器件市场规模及预测 2020年GaN功率器件整体规模为 0.460.46亿美元亿美元 受消费类电子、电信及数据通信、电动汽车应用的驱动,预计到2026年增长至 11 11亿美元亿美元 复合年均增长率(复合年均增长率(CAGRCAGR)为)为 7070%数据来
7、源:Yole20202020-2026 2026 氮化镓射频器件市场规模及预测氮化镓射频器件市场规模及预测 2020年GaN射频器件整体规模为8.918.91亿美元亿美元 预计到2026年增长至2424亿美元亿美元 复合年均增长率(复合年均增长率(CAGRCAGR)为)为18%18%数据来源:Yole6氮化镓(GaN)产业政策环境各国出台专项扶持政策,国内政策支持持续利好各国出台专项扶持政策,国内政策支持持续利好1998年2008年2013年2014年2016年开展 GaNGaN 半导体发光半导体发光机理的基础研究、用于同质外延生长的大面积衬底等实施 GaNGaN 半导体低半导体低功耗高频器件
8、功耗高频器件开发计划2002年提出新一代节能器件技术战略与发展规划,将采用SiCSiC、GaNGaN等宽禁带半导体器件进一步降低功耗设立第三代功率半导体封装技第三代功率半导体封装技术术开发联盟开发联盟,由大阪大学协同罗姆、三菱、松下罗姆、三菱、松下等 18 家知名企业、大学在国家硬电子计划中将SiCSiC 衬底的制备与外延衬底的制备与外延作为重点研究课题,投以巨资支持启动“有助于实现节能社会的新一代半导体研究开发”的 GaNGaN 功率器件功率器件开发项目,为期5年,第一年的预算为10亿日元亿日元美国美国2000年2014年2017年奥巴马宣布成立“下一代电力电成立“下一代电力电子技术国家制造
9、业创新中心”子技术国家制造业创新中心”,发展宽禁带半导体电力电子技术,提供70007000万美元万美元财政支持 启动电子复兴计划电子复兴计划,投入2020亿美元亿美元重点开发微系统材料、电子器件集成架构等启动 CIRCUITS 计划,投资30003000万美元万美元资助21个项目,利用宽禁带半导体实现高效、可靠的功率转换器功率转换器,使用碳化硅或氮化镓氮化镓来代替现有的硅材料制定有关有关GaNGaN 和SiC 的开发项目2002年启动宽禁带半导体技术计划宽禁带半导体技术计划:实现 GaNGaN 基微波器件基微波器件生产 研制 GaNGaN 基单片微波集成电路基单片微波集成电路2011年欧盟欧盟
10、实施“彩虹计划”发展GaNGaN 基设备基设备,推动户外照明和高密度存储技术发展GaNGaN 集成电路研发计划,经费40004000万欧元万欧元,创建独立的 GaNGaN-HEMTHEMT 供应链,提供最先进可靠的 GaNGaN 晶晶圆圆制备2005年2000年启动 GaNGaN 可靠性增长和技术转移项目,第一阶段总经为860860万欧元万欧元,组织完整的 GaNGaN 微波产品产微波产品产业链业链2008年意法半导体启动“LAST POWER”项目,与意大利、德国等六个欧洲国家的企业、大学联合攻关 SiC 和 GaNGaN 的关键技术2010年2014年启动面向电力电子应用的大尺寸 SiC
11、衬底及异异质外延质外延 GaNGaN 材料材料项目欧盟委员会批准投资化合物半导体(主要是氮化镓氮化镓、碳化硅等第三代半导体)计划,提提供供17.517.5亿欧元资金亿欧元资金,开发用于包括5G5G通信,通信,无人驾驶汽车无人驾驶汽车内的应用创新组件和技术2019年日本日本美国国防高级研究计划局启动“氮化物电子氮化物电子下一代技术计划”,推动GaNGaN在高频领域高频领域的应用2013年2016年2019年开始对第三代半导体第三代半导体材料材料领域的研究进行部署2004年科技部863计划,将第第三代半导体三代半导体产业列为战略发展产业国家级战略长江三角洲区域一体化发展规划纲要明确要求长三角区域加
12、快培育布局第三代半导体第三代半导体产业“十四五”计划明确提出发展碳化硅、氮化镓氮化镓等宽禁带半导体材料中国中国“十三五”计划将第三代半导体第三代半导体产业列为重点发展方向 启动“战略性先进电子材料”国家重点研发计划,研究方向包括第三代半导体材料第三代半导体材料与半导体半导体照明、大功率激光材料与器件照明、大功率激光材料与器件2021年7全球氮化镓(GaN)产业图谱国内产业链基本形成,产业结构相对聚焦中游国内产业链基本形成,产业结构相对聚焦中游国外企业国内企业8中国氮化镓(GaN)企业及代表性业务数据来源:CASA Research 广东省东莞中镓GaN衬底英诺赛科GaN器件中晶半导体GaN外延
13、/器件浙江省华灿光电GaN-LED器件闻泰科技GaN器件杭州士兰GaN-LED器件上海市镓特半导体GaN衬底芯元基半导体GaN器件安徽省东科半导体GaN功率器件执珩半导体GaN外延芯谷微GaN射频器件河北省中电科13所GaN射频器件山东省聚能创芯GaN器件聚能晶源GaN外延中鸿新晶GaN外延/器件福建省三安光电GaN器件乾照光电GaN-LED器件士兰明镓GaN-LED器件江苏省苏州纳维GaN衬底晶湛半导体GaN外延能讯半导体GaN射频器件苏州捷芯威GaN功率器件英诺赛科GaN器件能华微电子GaN外延/器件中电科55所GaN射频器件聚灿光电GaN-LED器件苏州汉骅GaN外延苏州量芯微GaN功率
14、器件四川省海威华芯GaN器件益丰电子GaN射频器件氮矽科技GaN功率器件9氮化镓(GaN)技术创新概况技术储备丰富,总体趋于稳步发展态势技术储备丰富,总体趋于稳步发展态势 全球在GaN产业已申请1616万多件专利万多件专利,有效专利6 6万多件万多件 20世纪70年代初出现GaNGaN相关专利申请相关专利申请 1994年之前尚处于探索阶段,参与企业较少 19942005年进入快速发展期进入快速发展期(LED照明商用化)2010年进一步短暂增长短暂增长(日本住友、日立等对GaN衬底大尺寸的突破和进一步产品化)从2014年开始专利申请量总体趋于稳步发展总体趋于稳步发展态势(可见光LED热度减退,G
15、aN基FET器件、功率/射频器件、MicroLED等器件热度上升)有效:38.91%失效:38.93%审中:13.06%PCT指定期满:7.25%PCT指定期内:0.84%未确认:0.99%专利总量:专利总量:1616万万+实用新型:2.96%发明:97.00%有效专利量:有效专利量:6 6万万+外观设计:0.04%10氮化镓(GaN)技术创新概况中美日为氮化镓技术热点布局市场,美日起步早,中美日为氮化镓技术热点布局市场,美日起步早,中国中国后起发力强劲后起发力强劲包含台湾地区热门市场为中国、美国、日本技术主要来源于日本日本、美国起步于20世纪70年代初,中国起步晚近20年2010年之前日本处
16、于明显领先地位,中国后起发力强劲,近几年保持持续高涨趋势中、美、日三国氮化镓(GaN)技术专利申请趋势图专利区域分布图技术来源国分布图050010001500200025003000350040001972197419761978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014201620182020中国美国日本美国,37121中国,42277澳大利亚,805以色列,1319德国,5046欧洲专利局,7646WIPO,13319韩国,17168日本,35117美国,22.95%日本,35.50%中国
17、,14.54%韩国,14.20%中国台湾,3.44%德国,3.23%世界知识产权组织,1.31%欧洲专利局,1.28%法国,1.16%英国,0.75%其他,1.63%11典型企业聚焦 日本住友 美国Cree 德国英飞凌 中国三安光电12全球氮化镓主要创新主体创新龙头主要集中日本,中国企业与海外龙头技术储备量差距大创新龙头主要集中日本,中国企业与海外龙头技术储备量差距大0100020003000财团法人工业技术研究院鸿海精密工业股份有限公司中国科学院微电子研究所西安电子科技大学荣创能源科技股份有限公司中国科学院半导体研究所华灿光电台积电三安光电晶元光电数据来源:智慧芽专利数据库,2021年3月3
18、1日;专利数量以公开文本件数统计。晶元光电(中国台湾)三安光电台积电(中国台湾)华灿光电荣创能源科技(中国台湾)鸿海精密工业(中国台湾)住友日本Cree(科锐)美国英飞凌德国LG韩国三星韩国日亚化学日本三菱日本松下日本东芝日本夏普日本国外企业代表国外企业代表中国企业代表中国企业代表重点重点010002000300040005000600070008000三安光电有限公司富士康英特尔公司英飞凌科技有限公司株式会社半导体能源研究所罗姆股份有限公司索尼公司奥斯兰姆奥普托半导体晶元光电股份有限公司首尔伟奥世有限公司丰田合成株式会社夏普株式会社CREE公司东芝株式会社PANASONIC三菱株式会社日亚化
19、学工业株式会社三星电子株式会社住友株式会社LG国内重点专利申请人国内重点专利申请人全球重点专利申请人全球重点专利申请人13典型企业:日本住友氮化镓技术储备上占绝对优势,专利布局支撑商业成功氮化镓技术储备上占绝对优势,专利布局支撑商业成功 19701970年开始制造化合物半导体,年开始制造化合物半导体,20032003年在全球率先量产氮化镓(年在全球率先量产氮化镓(GaNGaN)衬底)衬底 20062006年,在全球率先实现高性能年,在全球率先实现高性能 GaNGaN HEMTHEMT的量产的量产 全球全球GaNGaN射频器件主要供应商,也是华为射频器件主要供应商,也是华为GaNGaN射频器件主
20、要供应商之一射频器件主要供应商之一型号型号频率(频率(GHzGHz)输出功率(输出功率(WW)应用应用SGK5867-30A5.85-6.7530卫星SGK6472-60A6.4-7.260卫星SGK1314-60A13.75-14.560卫星SG26F30S-DDC-2.730基站SGFCF10S-DDC-3.710基站SGN1214-220H-R1.2-1.4220雷达SGN2729-600H-R2.7-2.9600雷达住友电工部分GaN-HEMT产品目录住友氮化镓衬底产品住友氮化镓衬底产品专利布局专利布局 7070年代开始申请年代开始申请GaNGaN相关专利,相关专利,9090年代随着年
21、代随着GaNGaN单晶生长、蓝单晶生长、蓝光光LEDLED技术的突破,专利量快速增长技术的突破,专利量快速增长 失效专利占比高,有效专利失效专利占比高,有效专利16001600多件多件 本土专利布局数量最多,海外市场侧重美国、中国、欧洲、韩国本土专利布局数量最多,海外市场侧重美国、中国、欧洲、韩国日本40.39%美国18.13%中国 9.79%世界知识产权组织7.87%中国台湾6.96%欧洲专利局 6.15%韩国 5.75%德国 1.73%加拿大 0.94%中国香港 0.74%其他 1.55%失效60.03%有效26.89%PCT指定期满7.01%审中5.54%PCT指定期内0.33%未确认0
22、.21%专利总量专利总量6000+6000+14住友聚焦衬底和器件方面研究,器件方面近几年侧重氮化镓FET器件可见光LED、GaN基FET器件、激光二极管、GaN单晶生长技术专利布局较多快速发展阶段,热点研究衬底技术、可见光LED、激光二极管技术,但近10年热度骤减近5年较关注GaN基FET器件GaNGaN领域技术分布领域技术分布技术发展趋势技术发展趋势15住友氮化镓衬底单晶生长技术16侧重侧重HVPEHVPE法,重点解决衬底缺陷、尺寸等难题法,重点解决衬底缺陷、尺寸等难题布局热点布局热点HVPE法和掩膜法(经典(经典A A-DeepDeep技术)技术)抑制衬底缺陷(位错密度缺陷、区间密度缺陷
23、、晶体缺陷、晶体硬度等缺陷)抑制表面应力问题(衬底裂纹、偏离角不均匀、衬底翘曲)、解决掺杂问题、提高衬底尺寸布局空白点布局空白点提拉法、氨热法生长速度均匀化、提高生长速率等GaNGaN单晶生长技术单晶生长技术 专利布局热点与空白点专利布局热点与空白点生长速度生长速度均匀化均匀化提高产量提高产量提高生长提高生长速率速率提高外延提高外延器件性能器件性能提高衬提高衬底尺寸底尺寸解决掺解决掺杂问题杂问题抑制表面抑制表面应力问题应力问题抑制衬抑制衬底缺陷底缺陷HVPEHVPE通用技术通用技术掩膜法掩膜法气相传输法气相传输法MOCVDMOCVD助熔剂法助熔剂法HNPSGHNPSG 组合生长法组合生长法氨热
24、法氨热法提拉法提拉法住友氮化镓FET器件:侧重外延工艺和芯片工艺突破17探索的技术较多,FET器件多样化发展布局热点:外延工艺、芯片工艺、改善击穿电压、减小漏电流、抑制电流崩塌、改善外延工艺、芯片工艺、改善击穿电压、减小漏电流、抑制电流崩塌、改善2DEG2DEG结构结构布局空白点问题:改善结构缺陷、改善导通特性等衬底选择衬底选择/设置设置衬底缓冲层衬底缓冲层沟道层沟道层间隔层间隔层电子供应层电子供应层接触层接触层盖层盖层势垒层势垒层垂直晶体管垂直晶体管PNPN结结电子传输层电子传输层漂移层漂移层形成凹槽和开口形成凹槽和开口栅绝缘层栅绝缘层电极制备电极制备离子注入离子注入加热退火加热退火反向反向
25、HEMTHEMT利用绝缘层利用绝缘层金属互连金属互连场板场板等离子体处理等离子体处理封装树脂封装树脂键合金属键合金属封装容器封装容器外延外延工艺工艺芯片芯片工艺工艺封装封装工艺工艺典型企业美国Cree:技术储备支撑氮化镓(GaN)功率器件市场化18 19911991年,发布第一批商用年,发布第一批商用SiCSiC晶圆,晶圆,20192019年完成首批年完成首批8 8英寸英寸SiCSiC晶圆样品的制备晶圆样品的制备 19981998年,首个年,首个SiCSiC基基GaNGaN高电子迁移率晶体管(高电子迁移率晶体管(HEMTHEMT)20192019年,逐步剥离年,逐步剥离LEDLED业务,专注于
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