功率氮化鎵進入12英寸時代！

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）提升芯片產(chǎn)能的最顯著方式，就是擴大晶圓尺寸，就像硅晶圓從6英寸到8英寸再到如今的12英寸。雖然在12英寸之后，繼續(xù)擴大晶圓尺寸仍面臨很多問題，不過對于比如碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體而言，它們還有提升空間。

就在9月11日，英飛凌宣布率先開發(fā)出全球首項300 mm（12英寸）氮化鎵功率半導(dǎo)體晶圓技術(shù)，英飛凌也成為了全球首家在現(xiàn)有且可擴展的大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中掌握這一突破性技術(shù)的企業(yè)。

推動功率氮化鎵成本接近硅

此前英飛凌功率氮化鎵芯片采用的是8英寸的硅基氮化鎵晶圓，用標(biāo)準(zhǔn)的8英寸硅片作為襯底，在襯底上外延生長出氮化鎵層。英飛凌表示，相較于8英寸（200mm）晶圓，12英寸晶圓芯片生產(chǎn)不僅在技術(shù)上更先進，也因為晶圓直徑的擴大，每片晶圓上的芯片數(shù)量增加了 2.3倍，效率也顯著提高。

硅基氮化鎵晶圓在產(chǎn)線方面可以沿用硅晶圓的設(shè)備，工藝與硅基功率半導(dǎo)體類似，因此實際上大規(guī)模切換的成本也會較低。英飛凌目前已經(jīng)在其位于奧地利菲拉赫（Villach）的功率半導(dǎo)體晶圓廠中，使用現(xiàn)有12英寸硅生產(chǎn)設(shè)備的整合試產(chǎn)線，成功產(chǎn)出12英寸的氮化鎵晶圓。

英飛凌還表示，12英寸氮化鎵的全規(guī)模化生產(chǎn)將有助實現(xiàn)在同一導(dǎo)通電阻級別上，氮化鎵和硅功率芯片的成本更為接近，未來同級別的硅和氮化鎵功率芯片產(chǎn)品成本將能夠持平。

而從目前其他功率硅基氮化鎵廠商來看，市占率全球第一的英諾賽科在2021年成為全球首家實現(xiàn)8英寸硅基氮化鎵量產(chǎn)的企業(yè)，產(chǎn)能方面極具優(yōu)勢，但目前仍未透露12英寸晶圓的進展；而TI在今年透露，計劃將硅基氮化鎵功率半導(dǎo)體產(chǎn)線從現(xiàn)有的6英寸轉(zhuǎn)向8英寸。

而成本方面，去年就有業(yè)內(nèi)人士向電子發(fā)燒友網(wǎng)透露，650V和150V電壓等級的硅基氮化鎵功率芯片產(chǎn)品在成本上已經(jīng)可以做到與硅基差不多了。而12英寸氮化鎵晶圓未來大規(guī)模量產(chǎn)后，成本與同等級硅產(chǎn)品持平后，將進一步加速氮化鎵對硅功率芯片的替代。

12英寸氮化鎵的另一種路線

目前市面上的功率氮化鎵芯片，大多采用硅基氮化鎵晶圓，也有一些廠商采用碳化硅基或藍(lán)寶石基的氮化鎵晶圓，由于硅片成本較低，且硅基氮化鎵與當(dāng)前硅功率芯片的工藝相似，因此硅基氮化鎵能夠成為目前主流。

不過由于是異質(zhì)外延，多少會產(chǎn)生一些問題，比如材料的熱失配和晶格失配等，導(dǎo)致外延層質(zhì)量較低，也在一定程度上影響器件可靠性。

在氮化鎵襯底同質(zhì)外延層上可以制造垂直GaN器件，在相同器件面積下，能夠增加晶體管內(nèi)用于傳導(dǎo)電流的漂移層厚度來提高器件電壓等級，同時承受更大的電流。但同質(zhì)外延也一直存在問題，那就是氮化鎵襯底太貴了。
氮化鎵襯底主流的制作方式是先在藍(lán)寶石襯底上生長出氮化鎵厚膜，分離后的氮化鎵厚膜再作為外延用的襯底。據(jù)某國內(nèi)GaN器件廠商透露，2英寸的氮化鎵襯底價格高達(dá)1.5萬元人民幣，而8英寸硅外延片的市場價不到300元。

Qromis則針對氮化鎵生長，開發(fā)了一種名為QST基板的襯底材料，這種材料與氮化鎵具有相同的熱膨脹系數(shù)，可以在與硅襯底相同厚度情況下抑制氮化鎵外延層的翹曲和裂紋，從而生長出高質(zhì)量的氮化鎵厚膜。在2019年，Qromis向信越化學(xué)授權(quán)了這一材料技術(shù)。

今年9月，信越化學(xué)宣布開發(fā)出用于氮化鎵外延生長的12英寸QST襯底，將高質(zhì)量的氮化鎵外延厚膜尺寸也擴大至12英寸。此前信越化學(xué)公布的信息是8英寸QST襯底價格與2英寸氮化鎵襯底大致相同，證明QST襯底相比純氮化鎵襯底有較大的成本優(yōu)勢。

同時，信越化學(xué)也與OKI聯(lián)合研發(fā)了一種名為CFB（晶體薄膜接合）的技術(shù)，可以在QST襯底上僅剝離氮化鎵功能層，并通過金屬層與其他高導(dǎo)熱襯底上進行粘合，去除了緩沖層從而
實現(xiàn)垂直導(dǎo)通。并且使用過的QST襯底也可以經(jīng)過處理重復(fù)利用，這能夠大大降低垂直氮化鎵器件的成本。

不過目前這種技術(shù)商業(yè)化仍在早期階段，據(jù)信越化學(xué)稱目前已經(jīng)有客戶進入實用化開發(fā)的階段。

小結(jié)：

英飛凌預(yù)計，到2023年末，氮化鎵市場規(guī)模將達(dá)到數(shù)十億美元。從整體應(yīng)用情況來看，氮化鎵還有很大的應(yīng)用潛力，在工業(yè)、汽車、消費、計算和通信應(yīng)用中，還有大量替代硅基功率芯片的領(lǐng)域，且可以為這些應(yīng)用帶來更高的效率和更小的尺寸。而功率氮化鎵大規(guī)模從8英寸切換到12英寸的進程，相信不會太久。