6吋氮化镓单晶面世！关键技术揭秘

昨天，日本又一家企业——丰田合成——宣布成功量产了6英寸氮化镓单晶衬底。

据丰田合成的最新文献，他们是通过钠助溶剂液相法，先在蓝宝石衬底上生长籽晶，然后再经过HVPE法生长高质量的氮化镓单晶，研发时间仅半年。

量产6英寸GaN衬底

2025年营收目标超53亿

3月15日， 丰田合成 官网宣布，他们与 大阪大学 合作，成功制造出应用于功率半导体的6英寸 GaN衬底 。  

6英寸GaN衬底

据介绍，这项成果是由日本环境省，丰田合成和大阪大学利用 钠助 溶剂液相法GaN单晶生长法 ，生产了超过6英寸的 高质量 GaN 衬底。

制造大直径GaN衬底的要点（钠熔剂法）

丰田合 成表示， 6英寸功率半导体氮化镓衬底的研发得益于 早期LED氮化镓衬底技术 的积累。

LED产业界认为，对氮化镓研究得最成功的单位日亚公司和丰田合成。丰田合成从1986年就开始研究GaN基LED的生长技术，1991年在 诺贝尔物理奖得主 赤崎勇教授的指导下，他们 率先 在世界范围内成功开发出GaN蓝光LED。

除了氮化镓衬底外，丰田从2010年就开始研究 GaN基功率器件 。2015年其GaN基功率器件实现了 50安培 的大电流操作；2016年7月，丰田合成研发出世界 首颗 GaN基 1200V 功率晶体管芯片，工作电流超过20A；并在2019年6月，GaN基功率器件实现了 100安培 的大电流操作。

4次迭代技术

半年成功研发6吋单晶

根据 文 献，丰田合成为了开发6英寸氮化镓单晶，采用了钠助溶剂和MVPE两种方法。 钠助溶剂法是为了生长高质量籽晶，而MVPE是为了生长氮化镓单晶。

整个 生长工艺如下：

丰田合成先使用钠助溶剂法在蓝宝石衬底上生长了多籽晶衬底（MPS）。据介绍，他们 已制造出直径 8 英寸的 MPS衬底 ， 正在开发 10 英寸级大直径 MPS衬底 。

而这种方法只用于生长优质GaN籽晶，他们采用了MVPE等方法，在籽晶上再生长厚厚的GaN，以生产高质量的GaN衬底。

丰田合成株式会社表示，他们将继续评估6英寸衬底的量产质量，并致力于进一步提高产品质量和扩大直径（6英寸或更大）。 

据介绍，2021年10月，他们已经成立了一家风险投资公司“teamGaN”，使用这项GaN衬底制造技术，为功率器件开发提供 GaN 衬底。

据了解，2025年丰田合成氮化镓业务的营收目标是要达到1000亿日圆（约53.3亿人民币），其中氮化镓衬底和功率器件是主要营收来源。而且丰田与日本名古屋大学合作开发了“全氮化镓汽车”，届时从LED照明、激光雷达和功率器件都将采用氮化镓技术。

住友、三菱量产4吋衬底

6吋单晶已在路上

据 《2021第三代半导体调研白皮书》 ，丰田合成株式会社并不是日本第一家宣布成功制造出6英寸GaN衬底的企业。

● 早在2021年6月， 住友化学 表示将投入100亿日元（约5.86亿人民币），从2022年开始 量产 4英寸GaN单晶衬底。

而且他们还表示已经成功制作了6英寸的GaN衬底，并 加快 了量产技术的 建立 。  

未来5年，住友化学的目标是将GaN衬底营收 提升3倍 ，从光电领域转入更大的功率半导体领域。

● 2021年3月， 三菱化学 曾透露，他们已开发出4英寸GaN单晶衬底，计划于2022年4月开始供应并且正在开发6英寸的产品。  

而且，其晶体缺陷仅为普通GaN衬底的大约1/100-1/1000，“ 几乎没有缺陷 ”。

国内企业氮化镓单晶进展

放眼国内，近几年内， 吴越半导体 、 苏州纳维 、 广东光大 、 上 海瀚镓 和 镓特半导体 以及 东莞 中稼 在氮化镓单晶方面均取得了良好成果。

2021年12月，吴越半导体举行了GaN晶体出片仪式，展出了全球范围内 首次 厚度突破 1 厘米 的氮化镓晶体。  

据悉，2020年2月，吴越半导体、先导集团与高新区管委会签订合作协议，在无锡高新区实施 2-6 英寸氮化镓自支撑单晶衬底产业化项目 ——首个落户于无锡先导集成电路装备材料产业园的项目。

2021年1月，苏州纳维举行总部大楼奠基仪式，项目建成后，GaN单晶衬底及外延片年产能达 5万片 。在2017年，该公司推出4英寸GaN单晶衬底，并突破了6英寸的关键核心技术。

2021年9月，东莞增补了 6 1个 2021年第三批市重大项目，其中包括广东光大的 氮化镓项目 ，总投资额高达 44亿 元，建成后将生产2-4英寸氮化镓衬底等产品。

2021年8月，根据《瀚镓GaN自支撑晶圆制造关键技术研发与产业化》项目的环评公示，上海瀚镓半导体科技有限公司将在上海市浦东新区建设“4英寸GaN高质量自支撑晶圆的研发及中试”。

2020年3月，镓特半导体宣布开发出4英寸 掺碳半绝缘GaN晶圆片 。据悉，该公司已初步具备自支撑氮化镓晶圆片产业化生产条件，4英寸自支撑氮化镓晶圆片厚度达 800μm 。

2018年2月，东莞中稼半导体宣布，在国内 首次 试产4英寸自支撑GaN衬底，并计划于同年年底实现常规 量产 。