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近日，日本功率器件大廠羅姆半導(dǎo)體（ROHM）公開表示，將在氮化鎵功率半導(dǎo)體領(lǐng)域加強與臺積電合作，公司旗下的氮化鎵產(chǎn)品將全面委托臺積電代工生產(chǎn)。
氮化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體的“門面”之一，隨著技術(shù)的不斷升級，其性能被進一步開發(fā)，已經(jīng)不再局限于快充等消費電子市場，而是向新能源汽車、AI數(shù)據(jù)中心、可再生能源等熱門領(lǐng)域擴展。市場競爭也愈發(fā)激烈，各大氮化鎵廠商都在盡全力擴大自己的產(chǎn)能，以在新興領(lǐng)域搶奪更多的市場份額。但擴建產(chǎn)線耗時費力成本高，于是越來越多的廠商開始選擇代工廠制造。
應(yīng)用越廣“造價”越高
氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的中流砥柱，具備高頻率、低損耗、抗輻射性強等優(yōu)勢，可以滿足各種應(yīng)用場景對高效率、低能耗、高性價比的要求。
近幾年，氮化鎵市場格外紅火，市調(diào)組織Yole發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2028年，氮化鎵功率器件在新能源汽車中的市場規(guī)模將超過5.04億美元，年復(fù)合增長率將達到110%。其他包括信息通信、消費電子、能源、工業(yè)、航天等領(lǐng)域的年復(fù)合增長率將超過25%。英飛凌也特別看好氮化鎵，并預(yù)測，到2027年，氮化鎵芯片市場將以每年56%的速度增長。
氮化鎵技術(shù)之所以能發(fā)展得如此迅速，主要原因就是氮化鎵的制造工藝提升速度飛快，在成本、良率和穩(wěn)定性上都實現(xiàn)了優(yōu)化和改善，其在更多不同場景的應(yīng)用潛力才被挖掘出來。
但這也意味著制造廠商需要更先進的制造能力、更精密的設(shè)備和更好的材料，來保證產(chǎn)品良率和生產(chǎn)速度。
半導(dǎo)體行業(yè)專家表示，氮化鎵的生長和加工過程遠比硅基半導(dǎo)體復(fù)雜得多，例如，氮化鎵襯底的生長是一個極具挑戰(zhàn)的過程，因為氮化鎵在常壓下無法熔化、在高溫下易分解，導(dǎo)致傳統(tǒng)的熔體法無法用于氮化鎵單晶的生長。而且，由于氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)的特殊性，往往需要使用藍寶石或者碳化硅作為襯底。這些過程中的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致成品率的大幅下降。此外，氮化鎵的高硬度和脆性也使得后續(xù)的加工工藝變得更加困難，如切割、拋光等步驟都需要精密控制，以減少材料損失和缺陷。
特別是氮化鎵在5G通信、雷達系統(tǒng)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的應(yīng)用，要求更高的工藝精度和更復(fù)雜的生產(chǎn)流程，才能實現(xiàn)氮化鎵器件的高頻性能。
而且為了滿足新一代氮化鎵的制造需求，制造設(shè)備也在不斷更新?lián)Q代。新型設(shè)備通常具有更高的精度和更好的性能，但價格也相應(yīng)更高。例如，MOCVD（金屬有機物氣相沉積）設(shè)備是氮化鎵外延生長的關(guān)鍵設(shè)備，隨著技術(shù)的進步，新一代MOCVD設(shè)備的價格顯著高于舊型號。此外，為了提高生產(chǎn)效率和降低缺陷率，制造商不得不投資更先進的清洗、檢測和封裝設(shè)備，這些設(shè)備不僅需要具備高精度的溫度、壓力和氣體流量控制功能，還需要能夠在長時間的運行過程中保持穩(wěn)定的性能。然而，這些設(shè)備的價格同樣不菲，給氮化鎵廠商帶來了巨大的資金壓力。
這些挑戰(zhàn)不斷堆積，就會導(dǎo)致氮化鎵制造產(chǎn)線的建設(shè)時間越來越長。專家表示，一方面，由于制造技術(shù)的復(fù)雜性和設(shè)備的特殊性，產(chǎn)線的規(guī)劃和設(shè)計需要耗費大量的時間和精力。從廠房的布局到設(shè)備的選型和安裝，每一個環(huán)節(jié)都需要經(jīng)過精心的考慮和論證。另一方面，產(chǎn)線的調(diào)試和優(yōu)化也是一個漫長的過程。在正式投入生產(chǎn)之前，需要對產(chǎn)線進行反復(fù)的調(diào)試和優(yōu)化，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。這個過程可能需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間，十分影響氮化鎵產(chǎn)品的上市速度。
當(dāng)下盡管廠商都在積極擴產(chǎn)和升級自己的產(chǎn)線，但面臨的困難重重，哪怕是買產(chǎn)線，也需要投入大量的時間和金錢去調(diào)試。這從各大廠商的財報就能看出端倪，它們用于研發(fā)和拓展產(chǎn)線的投入越來越多，這不是每一家企業(yè)都能承受的，于是有些廠商就開始選擇由代工廠商代工。
代工是個好選擇
當(dāng)下，很多的代工廠商都早已觀察到氮化鎵市場的廣闊前景，并提前開始布局。例如，代工龍頭臺積電就一直很關(guān)注氮化鎵產(chǎn)業(yè)，其程度甚至超過當(dāng)前風(fēng)頭正盛的碳化硅。
臺積電研發(fā)資深處長段孝勤曾表示，臺積電在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)Ｗ⒃诘壪嚓P(guān)開發(fā)，歷經(jīng)長期的發(fā)展氮化鎵已逐漸開始被市場接受，預(yù)計未來十年將有更多應(yīng)用場景。臺積電在氮化鎵的五個主要應(yīng)用場景包含數(shù)據(jù)中心、快充、太陽能電力轉(zhuǎn)換器、48V DC/DC以及電動車OBC/轉(zhuǎn)換器。
而且早在2020年，臺積電就宣布，要與意法半導(dǎo)體合作加速氮化鎵制程的開發(fā)，并將分離式與整合式氮化鎵元件導(dǎo)入市場。透過此合作，意法半導(dǎo)體將采用臺積電公司的氮化鎵制程來生產(chǎn)其氮化鎵產(chǎn)品。
臺積電還與納微半導(dǎo)體合作，納微半導(dǎo)體專有的氮化鎵工藝設(shè)計套件（PDK）就是基于臺積電的硅基氮化鎵平臺開發(fā)的，此舉也推動了氮化鎵技術(shù)在電源管理等領(lǐng)域的應(yīng)用。
隨后，VisIC Technologies也與臺積電合作，使用臺積電的650V硅上氮化鎵工藝生產(chǎn)其1200伏氮化鎵模塊。這種合作有助于VisIC Technologies快速提高產(chǎn)能，同時也展示了臺積電在高電壓氮化鎵制造方面的能力。這也是羅姆愿意將其650V耐壓產(chǎn)品全面委托臺積電代工生產(chǎn)的主要原因。據(jù)了解，雖然羅姆之前主要利用內(nèi)部工廠來生產(chǎn)相關(guān)器件，但是近年來已經(jīng)開始將部分產(chǎn)品委托臺積電代工，只是羅姆此前并未對外公布。
可以看出，臺積電在氮化鎵生產(chǎn)技術(shù)方面已經(jīng)積累了足夠的經(jīng)驗，得到了行業(yè)認可，其采用的硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術(shù)是目前半導(dǎo)體市場的主流技術(shù)路線之一，能夠滿足功率和射頻組件的要求。例如，2020年，臺積電開始量產(chǎn)第一代650V和100V增強型氮化鎵高電子遷移率晶體管（E-HEMT），并且迅速達到滿負荷生產(chǎn)，第二代產(chǎn)品的性能也有顯著提升。此外，臺積電還開發(fā)了外延代工的6英寸硅基氮化鎵晶圓制造技術(shù)，能夠較好地控制氮化鎵外延層的生長質(zhì)量和厚度，從而提高器件的性能和可靠性。外延技術(shù)是氮化鎵制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，臺積電在這方面的技術(shù)優(yōu)勢有助于提高其產(chǎn)品的競爭力。
氮化鎵產(chǎn)能方面，臺積電擁有三到四個能夠生產(chǎn)6英寸氮化鎵外延片的金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）單元，生產(chǎn)能力為1.5~2千片/月（kWpM）。并且，有消息稱，臺積電一直在采購氮化鎵機臺設(shè)備，數(shù)量達十多臺，預(yù)估可增加產(chǎn)能上萬片，這顯示出臺積電在不斷擴充其氮化鎵的生產(chǎn)能力。
擴展氮化鎵代工能力的代工廠不只是臺積電。今年7月，格芯宣布收購Tagore Technology的功率氮化鎵技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán)組合，格芯表示，此次收購擴大了公司的電源IP產(chǎn)品組合，并拓寬GaN IP的獲取渠道。格芯的負責(zé)人告訴記者，已經(jīng)有企業(yè)開始委托格芯生產(chǎn)氮化鎵的產(chǎn)品。還有像聯(lián)電、世界先進、穩(wěn)懋半導(dǎo)體、三安集成、X-Fab等代工廠商均有氮化鎵的代工業(yè)務(wù)。
專家表示，隨著各大代工廠商開始重視氮化鎵的生產(chǎn)能力，未來越來越多的氮化鎵廠商可能會尋求代工企業(yè)來生產(chǎn)一些產(chǎn)線造價過于昂貴的氮化鎵產(chǎn)品，這樣既節(jié)省開支，又能更加專注于設(shè)計，氮化鎵技術(shù)的發(fā)展將更加輕快。
作者丨許子皓編輯丨張心怡美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東
