GaN新突破：单晶衬底进入8英寸时代

近日，国内氮化镓领域迎来重大技术突破。

东莞市中镓半导体科技有限公司成功攻克6英寸及8英寸氮化镓单晶衬底的制备技术。这一成果，是依托于中镓半导体自主研发的超大型氢化物气相外延设备（HVPE）实现的。

中镓半导体8英寸GaN单晶衬底

中镓半导体的这项技术成果，不仅填补了国际上HVPE工艺在6英寸及8英寸GaN单晶衬底领域的技术空白，更标志着我国在该领域成功抢占了技术制高点。为深入解析这一成果，“行家说三代半”对中镓半导体的8英寸GaN单晶衬底进行了全面剖析。

中镓GaN单晶衬底突破8英寸

意味着新时代的开启

氮化镓凭借优异的电学与物理特性，在消费电子、光电子、电力电子器件、通信与雷达等领域具有重要应用。然而，氮化镓单晶材料长期以来面临一大产业化难题——大尺寸单晶衬底制备困难，这一难题限制着整个产业向上突破的可能。

业界周知，目前主流的氮化镓单晶衬底仍处在2-4英寸阶段，制约其走向更大尺寸的原因主要包括两方面：一是用于GaN单晶生长的HVPE设备通常仅兼容小尺寸衬底；二是异质衬底（如蓝宝石、硅）存在的晶格失配与热膨胀系数差异，导致外延生长过程中产生难以克服的晶格应力，易引起晶圆开裂与翘曲。

中镓半导体2-8英寸GaN单晶衬底

中镓半导体通过自主技术体系，系统性解决了上述瓶颈。据中镓半导体介绍，他们于2024年初攻克了大尺寸GaN单晶生长中常见的开裂与翘曲难题，成功开发出6英寸GaN单晶衬底。近期，他们又更进一步实现8英寸GaN单晶衬底的突破性开发，并通过研磨与粗精抛光工艺获得完整单晶衬底，其关键性能指标已达到国际领先水平。

据官方介绍，中镓半导体成功研发的8英寸GaN单晶衬底，具备一系列卓越的核心参数，其性能指标如下：

衬底厚度：＞450μm；

表面粗糙度：Ra＜0.1nm；

位错密度：＜2E6 cm-2；

FWHM：＜80 arcsec；

材料本底载流子浓度：＜5E16 cm-3；

电子迁移率：>800 cm²/(V·s)。

较低的位错密度、较高的电子迁移率、较低的本底浓度等数据充分说明——该衬底具备出色的晶体质量。如此厚实且高品质的衬底，还像一块极其平整的“地基”，尤其适合用于制造耐压性能更优的垂直型GaN功率器件。

长期以来，大尺寸GaN单晶衬底技术主要由日本企业主导。如今，中镓半导体此次实现8英寸衬底从无到有的突破，不仅代表国产技术的飞跃，更意味着氮化镓单晶正式迈入大尺寸、高性能的新时代。

全球氮化镓单晶衬底技术进展 来源：行家说 Research

设备的突破

铸就8英寸GaN的技术内核

中镓半导体此次突破，离不开其在关键设备上的进展。中镓半导体强调，自主研发的超大型氢化物气相外延设备（HVPE），为8英寸GaN单晶衬底制备奠定了坚实基础。

技术内核：生产设备的突破

中镓推出的超大型HVPE设备，一举解决传统设备只能支持2-4英寸生长的限制，实现了8英寸GaN单晶的高品质气相外延生长，为后续产业化提供了坚实保障。

从生长速率来看，HVPE法远超氨热法、钠助溶剂等其它技术路径，可达100–200μm/hr。这种高速生长能力是实现低成本、大规模量产的关键因素之一，也是中镓半导体选择HVPE技术路线并成功制备8英寸衬底的一大支撑。

此外，该设备生长的8英寸GaN单晶衬底可直接适配现有8英寸硅基产线，极大缩短了GaN-on-GaN器件的研发周期；同时提升材料利用率，单片晶圆可切割的芯片数量显著增加，从而降低器件单位成本，也减少了产业转型的难度。

高品质：表面平整度高、晶体结构完整

从AFM、CL图像到XRD摇摆曲线来看，多项测试结果一致表明：中镓半导体的8英寸GaN单晶衬底具备表面平整度高、晶体结构完整、位错少、应力小等高品质。

此次技术突破的背后，是中镓半导体在氮化镓领域长达十六年的持续深耕。至今，该公司已攻克GaN单晶衬底制备、GaN外延生长及GaN器件制造等多项核心工艺，并成功自主研发HVPE氮化镓晶体生长设备，构建了较高的技术壁垒。

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8英寸GaN的突破：

不止于技术，更在于产业价值

值得关注的是，GaN单晶衬底步入8英寸时代，这不仅是技术层面的飞跃，更蕴藏着深远的产业与社会价值。

尤其是对功率半导体行业而言，8英寸GaN单晶衬底与当前主流硅基半导体产线兼容，降低制造工艺切换成本，加快GaN-on-GaN器件产业化进程；基于高质量单晶衬底制备的垂直氮化镓功率器件，具备更小体积、更多芯片数量、更高耐压等优势，尤其适用于新能源汽车、工业电机、数据中心、电网等高压高频应用，为终端能效提升与设备小型化注入新动力。

其具体价值便可以从以下三个方面体现：

体积更小：

据《2022氮化镓功率与射频产业调研白皮书》数据，在同样规格的情况下，基于GaN衬底的垂直GaN器件尺寸明显更小，10A级别的垂直GaN器件尺寸仅为硅基超结MOSFET的三分之一；30A器件尺寸约为硅基IGBT的十分之一，SiC MOSFET的二分之一。而8英寸GaN单晶衬底的应用，还将进一步缩小器件尺寸。

不同器件尺寸对比 来源：《2022氮化镓功率与射频产业调研白皮书》

产出更多芯片：

据《2022氮化镓功率与射频产业调研白皮书》数据测算，即使在4英寸GaN晶圆上制造，其芯片产出数量已超过6英寸SiC晶圆，单片芯片数量提升近4倍。基于8英寸GaN单晶衬底，芯片产出数量预计还将进一步提升到一个全新量级，或实现超16倍的增长。

SiC MOSFET与垂直GaN对比 来源：《2022氮化镓功率与射频产业调研白皮书》

耐压更高：

在耐压能力方面，垂直结构GaN器件展现出显著优势，尤其适合中高压应用场景。目前横向结构的GaN器件虽已实现650V级别的商业化应用，但其功率普遍受限，一般仅适用于几千瓦以内的应用。若通过延长漂移区来提高耐压，又会造成器件尺寸增大、电流密度下降，同时带来成本的大幅上升，进一步拉大与硅基器件之间的价格差距。

与之相比，垂直结构GaN器件在相同电压和电流条件下，不仅能够实现更紧凑的尺寸，还具备更优的综合成本效益。结合8英寸GaN单晶衬底所带来的更大晶圆面积与更高材料质量，垂直结构GaN在高压工作环境下的性能潜力和可靠性得到进一步增强，尤其适用于1200V以上甚至更高电压的应用需求（如电网应用），展现出广泛的行业前景。

横向GaN器件与垂直GaN器件芯片尺寸对比 来源：行家说 Research

展望未来，中镓半导体表示，公司将持续推进技术迭代与产能提升，并积极与上下游企业、科研机构开展深度合作，共同构建健康有序的氮化镓产业链生态，助推我国第三代半导体产业迈入国际领先行列。

插播：天科合达、天岳先进、同光半导体、烁科晶体、泰坦未来、浙江晶瑞、芯聚能、三安半导体、安海半导体、华卓精科、快克芯装备、合盛新材料、京航特碳、恒普技术、奥亿达新材料、创锐光谱、西湖仪器、北方华创、科友半导体、九域半导体、国扬电子、凌锐半导体、中电化合物、昕感科技、羿变电气、东尼电子、西格玛、铭扬半导体、瑞霏光电、力冠微、格力电子、芯研科等已确认参编《2025碳化硅衬底与外延产业调研白皮书》及《2025碳化硅器件与模块产业调研白皮》，参编咨询请联系许若冰（hangjiashuo999）。

本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。

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