氮化鎵晶圓的大尺寸化進(jìn)程再次加速。在近日召開的2024九峰山論壇暨中國(guó)國(guó)際化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上，西安電子科技大學(xué)聯(lián)合廣東致能科技展示了全球首片8英寸藍(lán)寶石基氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMTs）晶圓器件。此前，德州儀器的一位高管也表示，該公司正在將其多個(gè)晶圓廠的 6 英寸氮化鎵轉(zhuǎn)向 8 英寸晶圓生產(chǎn)。從6英寸晶圓轉(zhuǎn)向8英寸生產(chǎn)的芯片數(shù)量將大幅提升，是半導(dǎo)體器件發(fā)展的必由之路。隨著氮化鎵市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，晶圓的大尺寸化正在加速。

良率超過95%

近日，2024九峰山論壇召開。據(jù)行家說三代半公眾號(hào)報(bào)道，西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授課題組李祥東團(tuán)隊(duì)與廣東致能科技聯(lián)合攻關(guān)，首次展示了全球首片8英寸藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓。李祥東教授在會(huì)上介紹，通過調(diào)控外延工藝，其氮化鎵外延片不均勻性控制在4%以內(nèi)，所制備的HEMTs器件的cp測(cè)試良率超過95%，擊穿電壓突破2000V。

據(jù)了解，目前200V以下以及650V左右的氮化鎵功率HEMT已在8英寸晶圓線上實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，然而在8英寸線上實(shí)現(xiàn)2000V級(jí)別的氮化鎵器件的展示尚屬首次。8英寸晶圓將是氮化鎵成為主流電力電子器件的必由之路。一方面，采用藍(lán)寶石襯底可以大幅提升氮化鎵耐壓，藍(lán)寶石襯底技術(shù)路線近年來已被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)1200-3300V GaN HEMTs的首選方案。

另一方面，由于轉(zhuǎn)向8英寸晶圓，每片GaN HEMTs晶圓的芯片數(shù)將比6英寸晶圓多近2倍，氮化鎵器件成本與6英寸方案相比也將大幅下降。隨著8英寸藍(lán)寶石襯底制備工藝的日趨成熟和大批量出貨，單片價(jià)格將快速下跌。屆時(shí)，疊加超薄緩沖層和簡(jiǎn)單場(chǎng)板設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓成本有望進(jìn)一步降低，并將對(duì)現(xiàn)有硅基MOSFET、IGBT以及碳化硅 MOSFET產(chǎn)生沖擊。

藍(lán)寶石氮化鎵晶圓是一種先進(jìn)的半導(dǎo)體材料，它結(jié)合了氮化鎵的優(yōu)異電子特性和藍(lán)寶石襯底的高熱導(dǎo)性。這種材料在高頻、高功率和高溫度應(yīng)用中表現(xiàn)出色，尤其是在光電子和功率電子領(lǐng)域。今年1月，致能科技還與郝躍院士、張進(jìn)成教授團(tuán)隊(duì)等合作攻關(guān)，通過采用致能科技的薄緩沖層AlGaN/GaN外延片，成功在6英寸藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了1700V GaN HEMTs器件。

2027年達(dá)到6.178億美元

近年來，隨著低碳綠色需求的增長(zhǎng)，氮化鎵器件的應(yīng)用范圍也在不斷增加。消費(fèi)領(lǐng)域一直是 OEM 采用氮化鎵的主要推動(dòng)力，由于電子設(shè)備對(duì)更快、更便宜和更環(huán)保的供電的需求，快速充電一直是氮化鎵器件的主要應(yīng)用。但氮化鎵技術(shù)日趨成熟，該材料開始滲透到工業(yè)、汽車、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用中。Yole Intelligence預(yù)測(cè)，氮化鎵器件在汽車和出行行業(yè)的市場(chǎng)將從 2021年的530萬(wàn)美元增長(zhǎng)到2027年的3.089億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)97%。電信/數(shù)據(jù)通信將以69%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2027年達(dá)到6.178億美元。

在汽車電動(dòng)化與智能化趨勢(shì)下，汽車搭載的電子電力系統(tǒng)越來越多。氮化鎵已率先在車載激光雷達(dá)產(chǎn)品中落地應(yīng)用，優(yōu)越的開關(guān)性能使得氮化鎵十分適用于車載激光雷達(dá)。2023年，英諾賽科低壓車規(guī)級(jí)氮化鎵產(chǎn)品已在頭部車企的車載激光雷達(dá)中得到量產(chǎn)應(yīng)用。在新能源汽車領(lǐng)域，氮化鎵器件在中低端汽車市場(chǎng)發(fā)展空間較大，目前主要占據(jù)400V以下應(yīng)用。同時(shí)，GaN器件也在往高壓應(yīng)用上推進(jìn)研發(fā)。據(jù)悉，博世正在開發(fā)一種用于汽車的1200V氮化鎵技術(shù)。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，隨著AI大模型熱潮的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心計(jì)算需求不斷增加，對(duì)高效、可靠且節(jié)能的硬件組件的需求也日益迫切。氮化鎵由于其優(yōu)越的電學(xué)性質(zhì)，將在數(shù)據(jù)中心中發(fā)揮更加重要的作用。氮化鎵能夠提高電力轉(zhuǎn)換效率，降低能源浪費(fèi)，這將有助于支持AI系統(tǒng)更高效地運(yùn)行，特別是在需要大量計(jì)算資源的場(chǎng)景下。同時(shí)，氮化鎵的可靠性也可能為AI系統(tǒng)提供更穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，減少因硬件故障導(dǎo)致的系統(tǒng)中斷。

Yole Intelligence預(yù)測(cè)，到 2027 年，功率氮化鎵器件市場(chǎng)的價(jià)值將達(dá)到20億美元，而2021年為1.26 億美元。Yole Intelligence預(yù)計(jì)，復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)到 59%。隨著氮化鎵滲透到汽車和電信/數(shù)據(jù)通信等應(yīng)用領(lǐng)域，除了獨(dú)特的合作伙伴關(guān)系之外，還出現(xiàn)了許多并購(gòu)、大量投資。

中國(guó)發(fā)揮關(guān)鍵推動(dòng)

中國(guó)將是推進(jìn)氮化鎵應(yīng)用發(fā)展的主要市場(chǎng)之一。中國(guó)持續(xù)推進(jìn)數(shù)字化與綠色低碳戰(zhàn)略，目前已經(jīng)成為全球新能源汽車領(lǐng)域最大的創(chuàng)新應(yīng)用的市場(chǎng)；預(yù)計(jì)到2025年，5G通信基站所需氮化鎵射頻器件的國(guó)產(chǎn)化率將達(dá)到80%；第三代半導(dǎo)體功率器件將在高速列車、新能源汽車、工業(yè)電機(jī)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用。

與此同時(shí)，我國(guó)的氮化鎵產(chǎn)業(yè)也在快速發(fā)展。除上述科技成果外，今年初北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了增強(qiáng)型p型柵氮化鎵（GaN）晶體管，并首次在高達(dá)4500V工作電壓下實(shí)現(xiàn)低動(dòng)態(tài)電阻工作能力。中國(guó)科學(xué)院微電子所在氮化鎵器件可靠性及熱管理研究方面取得重要進(jìn)展，高頻高壓中心劉新宇研究員團(tuán)隊(duì)在氮化鎵電子器件可靠性及熱管理方面取得突破，六項(xiàng)研究成果入選第14屆氮化物半導(dǎo)體國(guó)際會(huì)議ICNS-14（The 14th International Conference on Nitride Semiconductors）。

產(chǎn)業(yè)方面，晶湛半導(dǎo)體氮化鎵外延片生產(chǎn)擴(kuò)建項(xiàng)目于1月份竣工，項(xiàng)目預(yù)計(jì)年產(chǎn)6英寸氮化鎵外延片12萬(wàn)片，8英寸氮化鎵外延片12萬(wàn)片；中瓷電子子公司博威第三代半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目已建成并投入使用，項(xiàng)目主要產(chǎn)品為氮化鎵通信基站射頻芯片與器件等產(chǎn)品，產(chǎn)能規(guī)劃為600萬(wàn)只/年。此外，英諾賽科計(jì)劃赴港上市的消息也引來業(yè)界極大的關(guān)注。據(jù)悉，英諾賽科計(jì)劃募資3億美元，以擴(kuò)大氮化鎵芯片產(chǎn)能。