功率氮化镓进入12英寸时代！

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）提升芯片产能的最显著方式，就是扩大晶圆尺寸，就像硅晶圆从6英寸到8英寸再到如今的12英寸。虽然在12英寸之后，继续扩大晶圆尺寸仍面临很多问题，不过对于比如碳化硅、氮化镓等第三代半导体而言，它们还有提升空间。
 
就在9月11日，英飞凌宣布率先开发出全球首项300 mm（12英寸）氮化镓功率半导体晶圆技术，英飞凌也成为了全球首家在现有且可扩展的大规模生产环境中掌握这一突破性技术的企业。
 
推动功率氮化镓成本接近硅
 
此前英飞凌功率氮化镓芯片采用的是8英寸的硅基氮化镓晶圆，用标准的8英寸硅片作为衬底，在衬底上外延生长出氮化镓层。英飞凌表示，相较于8英寸（200mm）晶圆，12英寸晶圆芯片生产不仅在技术上更先进，也因为晶圆直径的扩大，每片晶圆上的芯片数量增加了 2.3倍，效率也显著提高。
 
硅基氮化镓晶圆在产线方面可以沿用硅晶圆的设备，工艺与硅基功率半导体类似，因此实际上大规模切换的成本也会较低。英飞凌目前已经在其位于奥地利菲拉赫（Villach）的功率半导体晶圆厂中，使用现有12英寸硅生产设备的整合试产线，成功产出12英寸的氮化镓晶圆。
 
英飞凌还表示，12英寸氮化镓的全规模化生产将有助实现在同一导通电阻级别上，氮化镓和硅功率芯片的成本更为接近，未来同级别的硅和氮化镓功率芯片产品成本将能够持平。
 
而从目前其他功率硅基氮化镓厂商来看，市占率全球第一的英诺赛科在2021年成为全球首家实现8英寸硅基氮化镓量产的企业，产能方面极具优势，但目前仍未透露12英寸晶圆的进展；而TI在今年透露，计划将硅基氮化镓功率半导体产线从现有的6英寸转向8英寸。
 
而成本方面，去年就有业内人士向电子发烧友网透露，650V和150V电压等级的硅基氮化镓功率芯片产品在成本上已经可以做到与硅基差不多了。而12英寸氮化镓晶圆未来大规模量产后，成本与同等级硅产品持平后，将进一步加速氮化镓对硅功率芯片的替代。
 
12英寸氮化镓的另一种路线
 
目前市面上的功率氮化镓芯片，大多采用硅基氮化镓晶圆，也有一些厂商采用碳化硅基或蓝宝石基的氮化镓晶圆，由于硅片成本较低，且硅基氮化镓与当前硅功率芯片的工艺相似，因此硅基氮化镓能够成为目前主流。
 
不过由于是异质外延，多少会产生一些问题，比如材料的热失配和晶格失配等，导致外延层质量较低，也在一定程度上影响器件可靠性。
 
在氮化镓衬底同质外延层上可以制造垂直GaN器件，在相同器件面积下，能够增加晶体管内用于传导电流的漂移层厚度来提高器件电压等级，同时承受更大的电流。但同质外延也一直存在问题，那就是氮化镓衬底太贵了。
氮化镓衬底主流的制作方式是先在蓝宝石衬底上生长出氮化镓厚膜，分离后的氮化镓厚膜再作为外延用的衬底。据某国内GaN器件厂商透露，2英寸的氮化镓衬底价格高达1.5万元人民币，而8英寸硅外延片的市场价不到300元。
 
Qromis则针对氮化镓生长，开发了一种名为QST基板的衬底材料，这种材料与氮化镓具有相同的热膨胀系数，可以在与硅衬底相同厚度情况下抑制氮化镓外延层的翘曲和裂纹，从而生长出高质量的氮化镓厚膜。在2019年，Qromis向信越化学授权了这一材料技术。
 
今年9月，信越化学宣布开发出用于氮化镓外延生长的12英寸QST衬底，将高质量的氮化镓外延厚膜尺寸也扩大至12英寸。此前信越化学公布的信息是8英寸QST衬底价格与2英寸氮化镓衬底大致相同，证明QST衬底相比纯氮化镓衬底有较大的成本优势。
 
同时，信越化学也与OKI联合研发了一种名为CFB（晶体薄膜接合）的技术，可以在QST衬底上仅剥离氮化镓功能层，并通过金属层与其他高导热衬底上进行粘合，去除了缓冲层从而
实现垂直导通。并且使用过的QST衬底也可以经过处理重复利用，这能够大大降低垂直氮化镓器件的成本。
 
不过目前这种技术商业化仍在早期阶段，据信越化学称目前已经有客户进入实用化开发的阶段。
 
小结：
 
英飞凌预计，到2023年末，氮化镓市场规模将达到数十亿美元。从整体应用情况来看，氮化镓还有很大的应用潜力，在工业、汽车、消费、计算和通信应用中，还有大量替代硅基功率芯片的领域，且可以为这些应用带来更高的效率和更小的尺寸。而功率氮化镓大规模从8英寸切换到12英寸的进程，相信不会太久。