電子發燒友網報道（文/梁浩斌）提升芯片產能的最顯著方式，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出全球首項300 mm（12英寸）氮化鎵功率半導體晶圓技術，英飛凌也成為了全球首家在現有且可擴展的大規模生產環境中掌握這一突破性技術的企業。

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，用標準的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英寸晶圓芯片生產不僅在技術上更先進，也因為晶圓直徑的擴大，每片晶圓上的芯片數量增加了 2.3倍，效率也顯著提高。

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

英飛凌還表示，12英寸氮化鎵的全規模化生產將有助實現在同一導通電阻級別上，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8英寸硅基氮化鎵量產的企業，產能方面極具優勢，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體產線從現有的6英寸轉向8英寸。

而成本方面，去年就有業內人士向電子發燒友網透露，650V和150V電壓等級的硅基氮化鎵功率芯片產品在成本上已經可以做到與硅基差不多了。而12英寸氮化鎵晶圓未來大規模量產后，成本與同等級硅產品持平后，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。

不過由于是異質外延，多少會產生一些問題，比如材料的熱失配和晶格失配等，導致外延層質量較低，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，能夠增加晶體管內用于傳導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。據某國內GaN器件廠商透露，2英寸的氮化鎵襯底價格高達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，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，從而生長出高質量的氮化鎵厚膜。在2019年，Qromis向信越化學授權了這一材料技術。

今年9月，信越化學宣布開發出用于氮化鎵外延生長的12英寸QST襯底，將高質量的氮化鎵外延厚膜尺寸也擴大至12英寸。此前信越化學公布的信息是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勢。

同時，信越化學也與OKI聯合研發了一種名為CFB（晶體薄膜接合）的技術，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熱襯底上進行粘合，去除了緩沖層從而
實現垂直導通。并且使用過的QST襯底也可以經過處理重復利用，這能夠大大降低垂直氮化鎵器件的成本。

不過目前這種技術商業化仍在早期階段，據信越化學稱目前已經有客戶進入實用化開發的階段。

小結：

英飛凌預計，到2023年末，氮化鎵市場規模將達到數十億美元。從整體應用情況來看，氮化鎵還有很大的應用潛力，在工業、汽車、消費、計算和通信應用中，還有大量替代硅基功率芯片的領域，且可以為這些應用帶來更高的效率和更小的尺寸。而功率氮化鎵大規模從8英寸切換到12英寸的進程，相信不會太久。