9月，英飛凌宣布成功開發(fā)出全球首款12英寸（300mm）功率氮化鎵（GaN）晶圓。

12英寸晶圓與8英寸晶圓相比，每片能多生產(chǎn)2.3倍數(shù)量的芯片，技術(shù)和效率顯著提升。這一突破將極大地推動(dòng)氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展。

氮化鎵和硅的制造工藝非常相似，12英寸氮化鎵技術(shù)發(fā)展的一大優(yōu)勢(shì)是可以利用現(xiàn)有的12英寸硅晶圓制造設(shè)備。全面規(guī)模化量產(chǎn)12英寸氮化鎵生產(chǎn)將有助于氮化鎵在導(dǎo)通電阻水平上與硅的成本平價(jià)，這意味著同類硅和氮化鎵產(chǎn)品的成本持平。

市場(chǎng)情況

GaN最早被用于發(fā)光二極管，GaN材料制作的藍(lán)光、綠光LED以及激光二極管早已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，日本和美國(guó)的三位科學(xué)家還因此獲得了2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。到目前為止，光電領(lǐng)域依然是GaN的傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)。

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2023年全球GaN功率元件市場(chǎng)規(guī)模約2.71億美元，至2030年有望上升至43.76億美元，CAGR（復(fù)合年增長(zhǎng)率）高達(dá)49%。其中非消費(fèi)類應(yīng)用比例預(yù)計(jì)會(huì)從2023年的23%上升至2030年的48%，汽車、數(shù)據(jù)中心和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)景為應(yīng)用核心。

氮化鎵晶圓分類

氮化鎵晶圓分單晶襯底和外延片兩種，單晶襯底分無摻雜襯底和（硅/鎂）摻雜襯底。外延片主要有硅基氮化鎵外延片、碳化硅基外延片和藍(lán)寶石基氮化鎵外延片。

1

襯底

無摻雜氮化鎵襯底

常用于高電子遷移率晶體管（HEMT）和激光二極管（LD）等器件。

摻雜氮化鎵襯底

通過摻入特定元素（如硅、鎂）來調(diào)節(jié)材料的電學(xué)性質(zhì)。N型摻硅氮化鎵襯底用于制作高電子遷移率器件；P型摻鎂氮化鎵襯底用于制作LED。

2

外延片

硅基氮化鎵外延片

硅材料成本低、晶圓尺寸大且技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，能夠利用現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體生產(chǎn)線進(jìn)行加工，從而降低生產(chǎn)成本。

硅基氮化鎵外延片在中低壓和高頻應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)，在消費(fèi)電子領(lǐng)域的快充充電器中應(yīng)用廣泛。

碳化硅基氮化鎵外延片

碳化硅襯底具有良好的熱導(dǎo)率和較高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，與氮化鎵的晶格匹配度相對(duì)較高，能夠生長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵外延層，因此制成的器件具有更高的性能和可靠性。

碳化硅基氮化鎵外延片適用于高功率、高頻和高溫等極端工作環(huán)境，在射頻功率放大器、電動(dòng)汽車充電器等對(duì)性能要求較高的領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

碳化硅襯底的制備難度大、成本高，目前主要以 4 英寸和 6 英寸晶圓為主，8 英寸還沒有大規(guī)模應(yīng)用，這限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

藍(lán)寶石基氮化鎵外延片

藍(lán)寶石襯底具有良好的絕緣性、穩(wěn)定性和透光性，在氮化鎵基發(fā)光二極管（LED）的制造中應(yīng)用廣泛。通過在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，可以制備出高亮度、高效率的藍(lán)光和綠光 LED，是目前主流的 LED 生產(chǎn)技術(shù)之一。

但藍(lán)寶石襯底的硬度高、脆性大，加工難度大，且其熱導(dǎo)率相對(duì)較低，不利于器件的散熱，在高功率應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的限制。

氮化鎵晶圓的機(jī)械性能特征

1、硬度高

氮化鎵的硬度較高（稍遜于碳化硅），具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，這對(duì)于晶圓的加工和制造過程以及器件的封裝都具有一定的優(yōu)勢(shì)。在晶圓劃切、芯片封裝等工藝過程中，較高的硬度可以減少晶圓的破損和缺陷，提高生產(chǎn)良率。

2、材質(zhì)脆

高硬度的同時(shí)也使得氮化鎵材質(zhì)相對(duì)較脆，在加工和使用過程中需要注意避免受到過大的機(jī)械應(yīng)力，否則容易發(fā)生破裂或損壞。

劃切過程中如何避免出現(xiàn)崩邊

1、選擇精度高、穩(wěn)定性好的劃片機(jī)。

先進(jìn)的劃片機(jī)能夠提供更精確的切割控制，減少機(jī)械振動(dòng)對(duì)晶圓的影響。定期維護(hù)和校準(zhǔn)設(shè)備，保證劃片機(jī)的各個(gè)部件處于良好的工作狀態(tài)，及時(shí)更換磨損的部件，以確保切割過程的準(zhǔn)確性和一致性。

2、調(diào)整切割速度。

速度過快會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，引發(fā)崩邊。推薦采用分步切割法，減少一次性切割產(chǎn)生的應(yīng)力，降低背崩出現(xiàn)的概率。切割過程中，還應(yīng)注意冷卻液溫度和流速，減少崩邊的產(chǎn)生。

3、在劃切之前，對(duì)晶圓進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查。

確保晶圓沒有內(nèi)部缺陷或裂紋。如果晶圓本身存在質(zhì)量問題，劃切過程中更容易出現(xiàn)裂縫。或者對(duì)晶圓進(jìn)行退火預(yù)處理消除內(nèi)部應(yīng)力，提高晶圓穩(wěn)定性。

4、保持工作環(huán)境穩(wěn)定的溫度和濕度。

減少晶圓的變形和應(yīng)力，降低崩邊出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。