有钱、有人、有技术!这家公司仅用3个月搞定GaN外延片产能落地

2022-11-11 11:56:08 来源:EETOP 作者:Nancy Zhou

特别关注 . 宏光半导体

近日,宏光半导体宣布,已成功生产出达到国际大厂高良率标准的6英寸氮化镓(GaN)功率器件外延片,预期2023年第二季将开始芯片试产,并于2024年初前开始投产。

据了解,对比一般半导体企业需要约20个月才能完成外延片的调试生产工作,宏光半导体仅仅用了短短3个月的时间,便完成了生产设备和技术的调试,并形成产能和陆续展开销售。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

宏光半导体是如何超预期飞速发展的?

它为何全速加码GaN外延片赛道?

第三代半导体GaN是否正迎来发展的历史窗口期?

01 有钱、有人、有技术:拒绝小步慢跑

我们梳理了一下宏光半导体今年9月披露的最新业务进展公告。资料显示,宏光半导体成立于2010年,前身为宏光照明控股有限公司,秉持着对半导体行业发展前景的信心,及对致力实现“碳中和”未来的决心,于2021年将业务拓展至第三代半导体业务,并全速布局GaN产业链。

在研发投入方面,今年上半年,宏光半导体把更多资金投入到第三代半导体领域。据中期业绩报告显示,其研发成本按年大幅增长4.6倍至1,690万元。目前,宏光半导体已在深圳设立研发中心,用于加强材料和器件的设计、制作。此外,2021年,宏光半导体徐州设立,面积逾 7,000 平方米的半导体生产工厂,目前厂房正处于陆续添置机器阶段,预计将于2024 年初开始全面投产

与此同时,宏光半导体的战略转型获得资本市场的高度关注和青睐。今年7月,著名投资人李嘉诚旗下长实集团现任执董赵国雄,将宏光半导体的持股比例由4.88%增至5.15%;其后,世界光伏领军企业协鑫集团创办人朱共山也入股宏光半导体并成为其主要战略股东,与其在第三代半导体,尤其是芯片方面,达成战略协同效应合作。

除了大规模投入自主研发外,宏光半导体还积极招揽人才收归麾下,研发团队阵容相当豪华,如其生产管理团队包括GaN半导体业务核心专家陈振博士、GaN HEMT器件设计和工艺制造核心专家Thomas Hu博士、以及半导体行业及晶圆代工技术及管理方面均具有丰富经验的吕瑞霖先生和闵军辉先生等。这些科研团队专家无一不是GaN与半导体领域的佼佼者。

宏光半导体在财报中提及,“基于市场对第三代半导体产品需求殷切,国策推动下,甚具发展机遇。”因当前还属于业务转型期,今年上半年,GaN及其他半导体产品尚未为公司营收作贡献,但预计2023年将开始提供收入贡献。据研究报告预计,宏光半导体2023年/24年的收入预料将分别按年上升150%/330%,至分别2.68亿元/11.53亿元。

小步慢跑,不是宏光半导体的风格!从这些数据不难看出宏光半导体打算在GaN领域深度发展的决心。宏光半导体正全速加码GaN快车道,未来冀实现国有替代技术突围,目标成为以半导体设计与制造为核心,集研发、制造、封测及销售为一体的全产业链半导体整合设备生产模式(IDM)企业。


02 GaN有望进入成长爆发期

近些年,伴随科技水平的迅猛发展,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,由于其宽带隙、高电子饱和漂移速度、高热导率、高击穿电场等优势,是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料,可以更好地适用于 5G 技术及新能源汽车等领域。有见及此,国务院及工信部、科技部等多部门出台了一系列扶持第三代半导体材料产业发展的利好政策,其中《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》明确指出,SiC、GaN等宽禁带半导体发展攻关是“十四五”时期的重要任务,并计划在2021到2025年的五年之内,举全国之力,在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面对第三代半导体发展提供广泛支持,以期实现产业独立自主。伴随国策利好,第三代半导体行业有望迎来新一波爆发期。

GaN外延片 优异性能蕴藏巨大潜力

在以往的半导体材料中,硅(Si)是集成电路及半导体器件的主要材料,但这种传统的硅基半导体由于其自身物理性能不足,带隙窄,击穿电压低,在高频高功率器件的应用上效果不佳。此外,受限于摩尔定律,已经逐渐不适应当代半导体产业的发展要求。GaN相较前两代半导体材料具有更大的禁带宽度和击穿电压,同时化学稳定性高,能够耐高温,耐腐蚀,因此在光电器件以及高频高功率电子器件应用上具有广阔的前景。

据前瞻产业研究院预测,全球GaN元件市场规模预计2026年将增长到423亿美元,年均复合增长率约为13.5%。而全球GaN外延片市场销售额于2021年达到了4.2亿美元,预计至2028年将达到15亿美元,年复合增长率为21.2% (2022-2028)。

GaN是一种由氮和镓结合而成的化合物,最开始被广泛应用于发光二极管。基于其能发蓝光的性质,用GaN材料制作的蓝光、绿光LED以及激光二极管早已实现了产业化生产。到目前为止,光电领域依然是GaN的传统强项。宏光半导体转型前是做照明的,其包括发光二极管LED灯珠在内的照明产品享誉全球,这应该也是它能成功转型半导体行业的关键因素之一。

和其他半导体材料类似,GaN产业链可以分为单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造、封装测试等几个环节。衬底(substrate)是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片,而外延片作为半导体原材料,位于半导体产业链上游,是半导体产业链环节中主要部分之一。它是半导体的半制成品,透过后续加工技术最终生产成为芯片,是半导体制造产业的支撑性行业。

GaN外延片的制备方法

外延(epitaxy)是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底(基片)上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层程。由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长,从而被称之为外延层(厚度通常为几微米)。而长了外延层的衬底便称为外延片(外延片=外延层+衬底)

外延生长技术发展于50年代末60年代初,当时是为了制造高频大功率器件,需要减小集电极串联电阻,又要求材料能耐高压和大电流,因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。与 Si 材料不同,GaN 器件不能直接制作在单晶衬底上,必须在衬底上生长高质量外延材料,在外延层上制造各类器件。



如上图所示,从GaN基器件开始,外延片的制备过程经历了外延片生长、外延片清洗、外延片检测,及外延片包装共4道工序。


  • 外延生长:是利用化学气相沉积的方式在抛光片上生长一层或多层指定厚度的单晶层,透过掺入P型硼或N型磷的气体来控制电阻率,并利用反应温度、外延气体流速、中心及边缘的温度梯度的工艺调整,来调节电阻率、厚度均匀度、过渡区宽度、颗粒、缺陷(层错、滑移线、雾等)等关键参数的有效控制,保障了外延层质量,满足客户制造工艺的要求。

  • 外延片清洗:主要是去除硅片表面的各种污染物,例如:表面微尘颗粒、有机物、金属等各种可能的污染。

  • 外延片检测:外延片以设备量测其电阻率、厚度、平坦度、翘曲度等物理特性值后进行最终清洗,再以高精密度的设备检测其表面微尘颗粒、有机物、金属等缺陷项目,确保外延层质量符合客户需求。

  • 外延片包装:以硅片盒盛装硅片后 ,经由包装制程于硅片盒外包裹PE袋及铝箔袋,使其在保存及运送途中,不会被环境、外力等因素破坏质量。


又由于GaN极其稳定,熔点约为 1700℃,具有高电离度,很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底,目前大部分GaN 基器件都是在异质衬底(比如Si、SiC、蓝宝石等)上生长 GaN 厚膜,然后通过剥离技术实现衬底和厚膜分离,将分离后的 GaN 厚膜做为外延用衬底。要想GaN 基器件性能接近理论值水平,就需要高质量的 GaN 体单晶材料作为衬底。然而但原材料成本太高了!据了解,一片2英寸的氮化镓GaN晶片,在国际市场上的售价就高达5000美元,而且一片难求。这也是为什么氮化镓GaN外延片成本能占到整个氮化镓GaN价值链的近50%的原因。

由于GaN器件直接在外延层制造,其品质和良率几乎决定了GaN器件产品的性能和良率。然而,目前市场上外延片的良率,据相关文章报道,大都仅仅在七到八成之间。而宏光半导体仅仅只用3个月的时间,其所制造的外延片良率已达国际大厂的标准,足见宏光半导体技术团队的雄厚实力。面对着市场庞大的需求,宏光亦不敢怠慢,势要把握当前机遇,继目前外延片投产后,预料2023年第二季芯片将开始试产,至2023年第四季开始正式集中投产。


03 看好新能源汽车,旨在国有替代技术突围

宏光半导体公司管理层认为GaN在新兴应用领域如新能源汽车行业有巨大的优势,期冀未来能够实现国有替代技术突围。据了解,GaN在新能源汽车领域主要有三种应用,分别是车载充电器,用于给高压电池充电;DC/DC转换器,将来自高压电池的电力转换给汽车上其他电子设备;牵引驱动或电机控制,可以用于驱动电机。

宏光半导体自去年将业务拓展至第三代半导体业务以来,其研发能力不断增强,除了去年获取六项关于充电站的快速充电蓄电池系统、充电转换系统及充电模块以及适用于电动汽车充电站的快速充电设备的专利外,今年上半年亦申请注册五个发明专利、一个实用新型以及一个外观专利。

与此同时,过去一年,宏光半导体在第三代半导体领域动作频频:不仅收购了主要从事快速电池充电系统解决方案研发的GSR GO Holding Corporation,还投资了专注高电压新能源汽车领域的以色列GaN相关产品开发商VisIC Technologies Ltd,以及专注民用产品领域的加拿大GaN技术领导者GaN Systems Inc。其中,VisIC具备德国电动汽车供应链资质,并与世界领先汽车供应商如 Mercedes Benz建立合作伙伴关系;而 GaN Systems更已突破高电流GaN功率半导体技术,深获全球汽车、消费者、工业及数据中心等领域客户如BMW、苹果和三星的认可。宏光半导体作为他们的战略投资者及潜在代工合作伙伴,有潜力在将来生产到车规级的GaN高功率芯片,甚至有机会打进两家巨头的客户合作供应商名单之内。

此外,宏光半导体还与中国泰坦、GUH Holdings Berhad、科通芯城集团(现称“硬蛋创新”)、罗马仕、鸿智电通等多家企业订立了战略及框架合作协议,以加快GaN的密集研发与技术应用。其中,协鑫集团订立的合作框议显示,双方拟于GaN功率芯片在新能源领域的应用展开密切合作,将成立新能源合营公司布局 GaN 芯片在新能源领域的应用,包括充电/换电技术及设备,储能技术及其设施,分布式光伏逆变器等。宏光半导体将向合营公司提供技术支持,共同开发基于硅基功率芯片及第三代半导体之应用产品,协鑫将基于其在新能源产业之领先地位及全面布局,协助宏光半导体及其合营公司进入新能源产业供应链市场。

在终端市场的驱动下,越来越多的GaN厂商开始将电动汽车市场视为下一个目标市场。业内预计,基于GaN技术的电动汽车上市时间估计将在2025年前后,汽车领域或将成为GaN大规模采用的主角


04 总结

国产替代势在必行!随着国家政策支持、产业、创新链以及下游产业的带动,第三代半导体行业技术及产品创新将不断迎来突破。高速增长和旺盛的市场需求使外延片生产设备的国产化率进一步提高,整个半导体外延片行业呈现高景气度并有望延续。未来宽禁带半导体或将是我国实现弯道超车的重要方向。以国家第三代半导体硅基GaN领域龙头英诺赛科(Innoscience)为例,是目前全球唯一同时实现量产GaN高、低压芯片的IDM企业,于全球GaN功率市场厂商出货市占率由2020年的6%攀升至2021年的20%,排名更躍升至全球第三,其IDM模式优势在GaN产业高速发展中显现实力,能够推动产品的快速迭代,提升性能同时实现了国产GaN芯片的崛起。


对于宏光半导体而言,作为一家以IDM全产业链模式为目标的港股企业,除享受国家政策带来的利好驱动之外,香港政府未来亦会加大资源研发及制造第三代晶片。据了解,香港应用科技研究院建议增拨资源,推动国家半导体发展。在国产自主可控的宏观环境下,第三代半导体迎来了广泛的应用市场和国产替代机遇。宏光半导体凭藉在第三代半导体GaN制造方面的专业知识,以及强大科研技术团队及研发能力,相信不久将会有芯片面世,可加快实现芯片制造及产能落地,如期实现GaN增长新动力,为国产替代添上浓墨重彩的一笔!


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