電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/梁浩斌)提升芯片產(chǎn)能的最顯著方式,就是擴(kuò)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(kuò)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(xiàng)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(kuò)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(dòng)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(jìn),也因?yàn)榫A直徑的擴(kuò)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(shí)際上大規(guī)模切換的成本也會(huì)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(shí)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(shí)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(jìn)展;而TI在今年透露,計(jì)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(jìn)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(huì)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(shí)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(jià)格高達(dá)1.5萬元人民幣,而8英寸硅外延片的市場價(jià)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(kuò)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(jià)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(shí),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(jìn)行粘合,去除了緩沖層從而
實(shí)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(jìn)入實(shí)用化開發(fā)的階段。
小結(jié):
英飛凌預(yù)計(jì),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(fèi)、計(jì)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(jìn)程,相信不會(huì)太久。
就在9月11日,英飛凌宣布率先開發(fā)出全球首項(xiàng)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(kuò)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(dòng)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(jìn),也因?yàn)榫A直徑的擴(kuò)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(shí)際上大規(guī)模切換的成本也會(huì)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(shí)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(shí)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(jìn)展;而TI在今年透露,計(jì)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(jìn)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(huì)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(shí)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(jià)格高達(dá)1.5萬元人民幣,而8英寸硅外延片的市場價(jià)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(kuò)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(jià)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(shí),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(jìn)行粘合,去除了緩沖層從而
實(shí)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(jìn)入實(shí)用化開發(fā)的階段。
小結(jié):
英飛凌預(yù)計(jì),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(fèi)、計(jì)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(jìn)程,相信不會(huì)太久。
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