宽禁带材料推动未来技术的半导体研究与制造

Nexperia公司已计划投资2亿美元(约1.84亿欧元)开发下一代宽禁带半导体(WBG)，包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。此外，该公司将在其汉堡工厂建立生产基础设施，并扩大硅(Si)二极管和晶体管的晶圆厂产能。

在接受笔者采访时，Nexperia公司SiC产品组高级总监Katrin Feurle和该公司副总裁兼GaN FET业务部总经理Carlos Castro就这一相关投资计划发表了见解。

WBG在电力电子中的作用

SiC和GaN半导体使数据中心等高耗能应用能够以出色的效率运行。它们是可再生能源解决方案和电动汽车的重要组成部分。这些宽禁带技术潜力巨大，对于实现脱碳目标越来越重要。

为了满足对高效功率半导体日益增长的长期需求，德国已于2024年6月开始开发和生产这三种技术(SiC、GaN和Si)。Nexperia的这一举措旨在支持电气化和数字化领域的关键技术。

据Nexperia公司称，其汉堡工厂成功的关键因素是不断提高生产效率。半导体生​​产，尤其是晶圆制造，是一个非常复杂的过程，对精度和可靠性要求很高。晶圆是从一个硅晶柱上切下来的，然后进行抛光，为微芯片制造过程做好准备。通过不断创新和优化，Nexperia公司显著提高了生产能力，并为此过程树立了新的质量标准。如今，该汉堡工厂(图1)是世界上最大的小信号二极管和晶体管生产基地，约占全球产量的四分之一。

图1：Nexperia汉堡工厂。(来源：Nexperia)

Nexperia对汉堡工厂的计划

正如Nexperia的Katrin Feurle所言，“公司将为SiC和GaN技术建立现代化且具有成本效益的200mm生产线，并开发自己的IP”。与此同时，这笔投资将有助于进一步实现汉堡工厂现有基础设施的自动化，并通过系统地转换到200mm晶圆(图2)来扩大硅片生产能力，成为纯200mm晶圆厂。“这使得Nexperia成为为数不多的能够提供全面半导体技术的供应商之一，包括增强型和耗尽型的Si、SiC和GaN。”Carlos Castro说道。

第一条高压GaN耗尽型晶体管和SiC二极管生产线于2024年6月在汉堡工厂启动。下一个里程碑将是具有成本效益的现代化200mm SiC MOSFET和GaN HEMT生产线。这些生产线将在未来两年内在汉堡工厂建成。

图2：半导体晶圆的处理。(来源：Nexperia)

在技术进步的同时，Nexperia预计这一举措还将促进当地的经济发展。这些投资在确保和创造就业机会以及提高欧盟半导体自给自足方面发挥着至关重要的作用。

“自2017年从NXP分拆出来以来，Nexperia在德国汉堡的员工人数已从950人增加至1,600人左右。为了支持Nexperia的SiC和GaN业务，汉堡已经招聘了50多人。”Katrin Feurle说道。

现在宣布的持续支出凸显了该公司在汉堡进一步投资的承诺。目前，Nexperia专门招聘了14个职位，主要是工艺集成研发方面的职位。但这仅仅是个开始。

“此外，我们还将创造更多的间接就业机会：据美国半导体行业协会估计，半导体行业的每个工作岗位都会为供应商行业创造5.7个额外的间接就业机会。”Carlos Castro补充道。

SiC和GaN制造面临的挑战

据Nexperia称，得益于以下两个关键因素，SiC MOSFET和GaN HEMT向200mm晶圆的过渡将显著提高生产效率和成本效益：

• 提高规模经济效益——随着产量的增加，与制造相关的固定成本(如设备折旧和劳动力)将分摊到更多的器件上。每个器件平均成本的降低包括固定成本(如晶圆制造设备)和可变成本。更高的产量还能带来批量采购折扣和更有效的材料使用，从而进一步降低成本。
• 提高制造效率——使用更大的晶圆制造可提高多个领域的效率，特别是工艺一致性，从而提高整体器件产量和设备利用率。假设缺陷密度保持不变或有所改善，则更大的晶圆可提高每个晶圆的器件数量。这种对原材料的有效利用减少了浪费，降低了材料成本，从而降低了每个芯片的成本。

正如Carlos Castro所说，最大的挑战在于Nexperia位于汉堡市中心的工厂空间有限，该工厂的前身是成立于1924年的Valvo无线电管厂。虽然与研发和生产没有直接关系的部门已经搬迁到了其他办公地点，但洁净室区域(图3)不可能无限扩大。

“然而，在这个历史悠久的厂址的‘老墙’后面，我们拥有一个现代化的、成熟的200mm硅片生产设施。我们可以在计划中的200mm SiC和GaN生产线上利用这些成熟工艺中的知识和专业技术。”Castro说道。

“我们的开发工作从与生产的直接联系中获益匪浅。这种密切的合作使我们能够直接在工厂中快速实施和测试我们的想法。接近生产基地对于设计出满足市场需求的最佳WBG器件至关重要。”Castro补充道。

图3：Nexperia的洁净室。(来源：Nexperia)

伙伴关系与合作

Nexperia与大学、研究机构和行业合作伙伴密切合作，从彼此的专业知识中受益。“这些合作有助于推动器件性能的发展，确保持续创新，加快上市时间，以满足不断增长的需求。”Katrin Feurle说道。

她补充道：“此外，这些合作还促进了高素质员工的培训——这是成功开发最佳产品(始终意味着最佳性价比)并赢得设计竞赛的关键因素。”

Nexperia与世界各地和欧洲的不同大学以及研究机构合作。例如，在GaN技术领域，Nexperia是纳米电子研究中心imec的工业联盟计划(IAP)的一部分。

“与行业合作伙伴的合作也发挥着至关重要的作用。对于WBG半导体，我们已经与京瓷、里卡多(Ricardo)、UAES以及最近的三菱电机建立了合作伙伴关系。”Feurle说道。

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Reducing Costs, Improving Efficiency in SiC Wafer Production with CMP，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。