大尺寸化加速!首片国产8英寸蓝宝石衬底GaN HEMTs晶圆发布

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氮化镓晶圆的大尺寸化进程再次加速。在近日召开的2024九峰山论坛暨中国国际化合物半导体产业博览会上,西安电子科技大学联合广东致能科技展示了全球首片8英寸蓝宝石基氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMTs)晶圆器件。此前,德州仪器的一位高管也表示,该公司正在将其多个晶圆厂的 6 英寸氮化镓转向 8 英寸晶圆生产。从6英寸晶圆转向8英寸生产的芯片数量将大幅提升,是半导体器件发展的必由之路。随着氮化镓市场的逐步扩大,晶圆的大尺寸化正在加速。

良率超过95%

近日,2024九峰山论坛召开。据行家说三代半公众号报道,西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授课题组李祥东团队与广东致能科技联合攻关,首次展示了全球首片8英寸蓝宝石基GaN HEMTs晶圆。李祥东教授在会上介绍,通过调控外延工艺,其氮化镓外延片不均匀性控制在4%以内,所制备的HEMTs器件的cp测试良率超过95%,击穿电压突破2000V。

据了解,目前200V以下以及650V左右的氮化镓功率HEMT已在8英寸晶圆线上实现了量产,然而在8英寸线上实现2000V级别的氮化镓器件的展示尚属首次。8英寸晶圆将是氮化镓成为主流电力电子器件的必由之路。一方面,采用蓝宝石衬底可以大幅提升氮化镓耐压,蓝宝石衬底技术路线近年来已被广泛认为是实现1200-3300V GaN HEMTs的首选方案。

另一方面,由于转向8英寸晶圆,每片GaN HEMTs晶圆的芯片数将比6英寸晶圆多近2倍,氮化镓器件成本与6英寸方案相比也将大幅下降。随着8英寸蓝宝石衬底制备工艺的日趋成熟和大批量出货,单片价格将快速下跌。届时,叠加超薄缓冲层和简单场板设计等优势,蓝宝石基GaN HEMTs晶圆成本有望进一步降低,并将对现有硅基MOSFET、IGBT以及碳化硅 MOSFET产生冲击。

蓝宝石氮化镓晶圆是一种先进的半导体材料,它结合了氮化镓的优异电子特性和蓝宝石衬底的高热导性。这种材料在高频、高功率和高温度应用中表现出色,尤其是在光电子和功率电子领域。今年1月,致能科技还与郝跃院士、张进成教授团队等合作攻关,通过采用致能科技的薄缓冲层AlGaN/GaN外延片,成功在6英寸蓝宝石衬底上实现了1700V GaN HEMTs器件。

2027年达到6.178亿美元

近年来,随着低碳绿色需求的增长,氮化镓器件的应用范围也在不断增加。消费领域一直是 OEM 采用氮化镓的主要推动力,由于电子设备对更快、更便宜和更环保的供电的需求,快速充电一直是氮化镓器件的主要应用。但氮化镓技术日趋成熟,该材料开始渗透到工业、汽车、数据中心等应用中。Yole Intelligence预测,氮化镓器件在汽车和出行行业的市场将从 2021年的530万美元增长到2027年的3.089亿美元,复合年增长率高达97%。电信/数据通信将以69%的年增长率增长,到2027年达到6.178亿美元。

在汽车电动化与智能化趋势下,汽车搭载的电子电力系统越来越多。氮化镓已率先在车载激光雷达产品中落地应用,优越的开关性能使得氮化镓十分适用于车载激光雷达。2023年,英诺赛科低压车规级氮化镓产品已在头部车企的车载激光雷达中得到量产应用。在新能源汽车领域,氮化镓器件在中低端汽车市场发展空间较大,目前主要占据400V以下应用。同时,GaN器件也在往高压应用上推进研发。据悉,博世正在开发一种用于汽车的1200V氮化镓技术。

对于数据中心而言,随着AI大模型热潮的不断发展,数据中心计算需求不断增加,对高效、可靠且节能的硬件组件的需求也日益迫切。氮化镓由于其优越的电学性质,将在数据中心中发挥更加重要的作用。氮化镓能够提高电力转换效率,降低能源浪费,这将有助于支持AI系统更高效地运行,特别是在需要大量计算资源的场景下。同时,氮化镓的可靠性也可能为AI系统提供更稳定的运行环境,减少因硬件故障导致的系统中断。

Yole Intelligence预测,到 2027 年,功率氮化镓器件市场的价值将达到20亿美元,而2021年为1.26 亿美元。Yole Intelligence预计,复合年增长率预计将达到 59%。随着氮化镓渗透到汽车和电信/数据通信等应用领域,除了独特的合作伙伴关系之外,还出现了许多并购、大量投资。

中国发挥关键推动

中国将是推进氮化镓应用发展的主要市场之一。中国持续推进数字化与绿色低碳战略,目前已经成为全球新能源汽车领域最大的创新应用的市场;预计到2025年,5G通信基站所需氮化镓射频器件的国产化率将达到80%;第三代半导体功率器件将在高速列车、新能源汽车、工业电机、智能电网等领域规模应用。

与此同时,我国的氮化镓产业也在快速发展。除上述科技成果外,今年初北京大学团队研发了增强型p型栅氮化镓(GaN)晶体管,并首次在高达4500V工作电压下实现低动态电阻工作能力。中国科学院微电子所在氮化镓器件可靠性及热管理研究方面取得重要进展,高频高压中心刘新宇研究员团队在氮化镓电子器件可靠性及热管理方面取得突破,六项研究成果入选第14届氮化物半导体国际会议ICNS-14(The 14th International Conference on Nitride Semiconductors)。

产业方面,晶湛半导体氮化镓外延片生产扩建项目于1月份竣工,项目预计年产6英寸氮化镓外延片12万片,8英寸氮化镓外延片12万片;中瓷电子子公司博威第三代半导体功率器件产业化项目已建成并投入使用,项目主要产品为氮化镓通信基站射频芯片与器件等产品,产能规划为600万只/年。此外,英诺赛科计划赴港上市的消息也引来业界极大的关注。据悉,英诺赛科计划募资3亿美元,以扩大氮化镓芯片产能。

责编: 张轶群
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