2025年11月，imec宣布将与爱思强、格罗方德等企业合作，旨在开发12英寸GaN外延生长技术、低压和高压GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）工艺流程。

近日，imec的研究员兼GaN功率电子项目总监Stefaan Decoutere接受了媒体采访，进一步阐述12英寸GaN技术进展及产业判断，并预计将在2年内实现12英寸GaN技术的量产工艺突破。

来源：2025Q4《季度内参--第三代半导体与新能源汽车》

imec 12英寸GaN技术进展:低压硅基与高压QST基双路线并行

依托此前8英寸氮化镓的技术积累，imec 12英寸氮化镓的技术研发正朝着低压硅基与高压QST基两大方向同步推进：

• 低压12英寸硅基氮化镓平台：依托成熟技术，攻坚极致小型器件

12英寸低压氮化镓平台的研发，充分依托了imec此前在8英寸硅基氮化镓领域积累的 40V、100V 器件技术成果。目前该团队已完成欧姆接触、p 型氮化镓栅极等12英寸氮化镓核心工艺模块的开发，且正于12英寸晶圆厂启动首批全集成工艺先导试验。研发过程中，imec还配套开发了专用的工艺设计套件（PDK），通过半导体 “先导研发” 模式，系统性验证12英寸氮化镓的各项技术可行性。

Stefaan Decoutere表示，40V氮化镓器件与100V器件采用相同的缓冲层结构，因此在晶圆外延生长与机械强度方面，团队预计不会出现技术问题。但为确保研发顺利，在初期工艺调试阶段，imec仍在晶圆厂采取了谨慎的操作策略，安排工程师随时待命，应对设备突发停机情况。

针对24V氮化镓工艺，imec已完成适配极致小型功率器件的技术准备 —— 这类低压器件主要应用于数据中心供电系统的最后一级转换环节。为适配12英寸晶圆加工设备的标准化要求，该工艺研发全程采用标准厚度晶圆，摒弃了8英寸氮化镓研发中通过增加晶圆厚度规避风险的常规做法。究其原因，12英寸晶圆加工设备对晶圆的重量、厚度有着严格的标准化要求，无法适配非标准规格的晶圆加工。

• 高压12英寸QST基氮化镓平台：以衬底创新破解高电压器件难题

在低压硅基氮化镓研发之外，imec还针对650V、1200V高压氮化镓器件，推出了QST基氮化镓技术路线。QST衬底的核心优势在于可支撑厚膜外延层的生长，且晶圆自身机械强度极高，Stefaan Decoutere介绍道：“即便是用于1200V垂直器件制备的、总厚度达10-14 微米的多层材料叠层结构，在8英寸QST基氮化镓的制备中也从未出现过晶圆碎裂的情况。”

另据semiconductor ToDAy报道，imec正与Aixtron SE 联合攻关，借助Qromis 提供的QST衬底，并优化金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，成功解决了 GaN-on-QST生长中的晶圆翘曲问题。

（a）面向垂直GaN MOSFET的外延堆叠方案

（b）8英寸QST晶圆上生长堆叠后的CAMTEK俯视光学图像

研究团队选用 Qromis 的8英寸 Gen II QST 衬底，初始翘曲仅 0-50μm，并采用Aixtron 的 G5+C 行星式外延炉，将第一本征 GaN 层的生长压力从 300mbar 降至 150-165mbar，最终使11.5μm厚漂移层晶圆实现近平整效果。该技术不仅为高压垂直 GaN 器件，提供了大面积、低成本量产的可能，也为12英寸的产业化奠定了基础。

基于12英寸晶圆加工的设备复杂度与风险控制考量，imec选择以650V QST基氮化镓作为高压路线的研发起点，这一决策也与当前行业需求相呼应。Stefaan Decoutere透露，部分设备商反馈其客户有研发12英寸650V硅基氮化镓的需求，但imec选择采取更为保守的策略：“加工氮化镓晶圆需用到 60 余种设备，一旦晶圆碎裂会引发连锁的工艺中断，因此我们先从 650V QST 基氮化镓切入高压12英寸氮化镓的研发。”

目前，imec 12英寸氮化镓项目已顺利达成一项关键目标：将12英寸硅基氮化镓晶圆减至8英寸规格，并采用成熟的8英寸工艺流完成加工。

关于后续研发进展，Stefaan Decoutere表示：“预计2026年 4 月，我们将启动首批两批集成工艺先导试验。目前所有单元工艺步骤均已准备就绪，接下来的核心任务是验证各工艺模块的协同适配性。”

针对项目整体进度，Stefaan Decoutere明确指出：“整体研发周期大致为两年左右，不会需要五年之久才能完成开发。”

imec 12英寸GaN技术升级:工艺优化与成本控制双管齐下

在推进低压、高压双路线研发的同时，imec及其合作伙伴也围绕成本回收、晶圆性能提升、工艺适配性三大核心目标，开展了多项12英寸氮化镓的工艺改进工作。

AIXTRON 提供的 300mm GaN-on-Si 晶圆，采用 imec 进行 p-GaN 刻蚀。来源：imec

• 衬底回收技术：针对QST衬底成本高于硅衬底的问题，imec正研发QST晶圆的回收技术，以此抵消高衬底带来的成本压力。Stefaan Decoutere表示，团队并未选择通过晶圆研磨的粗暴方式减薄衬底以降低热阻，而是开发更精细化的衬底回收工艺，目前该技术仍处于研发阶段。
• 缓冲层及掺杂工艺优化：imec通过引入一层或两层超晶格结构、插入中间层并优化外延生长条件的方式，精准抵消厚缓冲层带来的内应力；在增强型氮化镓器件的 p 型氮化镓栅极研发中，imec也摒弃了传统的均匀掺杂工艺，采用更复杂的掺杂分布设计，大幅提升器件的可靠性。
• 光刻工艺与器件设计：imec在12英寸低压氮化镓的制程中，采用了深紫外（DUV）光刻技术，可实现低压器件的小型化设计。而在器件结构设计上，采用多指栅极布局，通过并联多个栅极指的方式，有效栅极宽度最高可达约 1 米。
• 设备迭代：为保证稳定性，imec在12英寸氮化镓的外延生长中，全部采用单晶圆金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应器，而8英寸米氮化镓研发中仍可采用批量加工模式。同时，设备商也推出了适配12英寸制程的新型设备架构：以中央机械臂系统为核心，将多个单晶圆 MOCVD 反应器整合为模块化集群，实现多反应器并行工作，有效减小设备的占地面积。

随着氮化镓市场需求的持续增长，Stefaan Decoutere对12英寸项目的合作规模扩大充满信心。他透露，团队目前正与半导体设备商及集成器件制造商展开洽谈：“一旦我们成功展示首批完全基于12英寸制程制备的功率器件，预计会有更多企业加入这一项目。”

12英寸GaN技术的优势及挑战

针对12英寸氮化镓技术的发展前景，Stefaan Decoutere指出，晶圆尺寸升级不仅能大幅提升晶圆利用率与生产效率，还可以为功率器件的体积优化创造了条件。

他举例说明：“CPU和GPU的供电电压正从1V逐步降至 0.8V、0.5V，要为这类器件供电，功率器件必须具备极低的导通电阻 —— 因为这类处理器的工作电流可达约1000 A，若功率器件的导通电阻为1Ω，仅器件自身就会产生1000V的压降，完全无法满足应用需求。” 因此，要适配各类处理器（xPU）的低电压供电需求，功率器件的比导通电阻必须低于1mΩ /mm2，这成为器件研发的核心指标。

在他看来，12英寸硅基氮化镓技术的成熟，还能解锁多种先进器件架构的研发可能，三维集成就是其中之一。“如果12英寸晶圆上完成逻辑电路的制备，就可以在其下方集成功率晶圆，为逻辑晶圆实现垂直供电。这一技术方向为氮化镓的前沿研究打开了诸多新空间。”

同时，该技术研发也能为半导体设备商提供重要助力。Stefaan Decoutere表示：“我们作为功率器件研发的先行者，会在项目中使用设备商的氮化镓外延生长设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备等各类装备，不仅能通过物理分析验证设备性能，还能在功率器件层面完成电学性能验证，助力设备商充分展现其设备的实际应用能力。”

不过，12英寸硅基氮化镓的产业化推进，仍面临着多重技术与产业层面的挑战。晶圆尺寸升级的核心技术障碍，首先在于氮化镓缓冲层与硅衬底之间存在显著的晶格失配和热膨胀系数（CTE）失配。

Stefaan Decoutere解释道：“氮化镓外延层的生长需要高温环境，晶圆降温过程中，容易发生弯曲，这一形变可能引发晶圆塑性变形，最终导致晶圆碎裂。” 为缓解这一热应力，研发人员必须在晶圆结构中设计应力补偿层，确保晶圆降温后的翘曲度（凸面或凹面形变）控制在安全范围内 —— 既避免晶圆碎裂，又能适配现有工艺设备的加工要求。

其次，工艺加工环节的诸多因素也制约着12英寸硅基氮化镓的规模化量产。Stefaan Decoutere透露：“加工硅基氮化镓晶圆需要用到 60 余种专业设备，一旦晶圆在加工中碎裂，会造成设备非计划停机，不仅可能损坏设备，还会中断12英寸晶圆厂内其他工艺的正常运行。” 为此，imec已联合晶圆厂的设备工程师开展了大量晶圆操作测试，建立了设备故障快速恢复机制，最大程度降低晶圆碎裂带来的生产影响。

12英寸工艺设备的专用性，也进一步提升了研发难度。“这类设备的技术精度高、专用性强，对晶圆的重量、厚度有着标准化要求，无法灵活适配非标准规格的晶圆加工。” 这意味着imec既需要攻克12英寸晶圆的翘曲问题，又难以通过增加晶圆厚度这类常规手段规避风险，研发难度进一步加大。

此外，衬底供应链的现状也成为12英寸低压硅基氮化镓项目推进的短期阻碍。Stefaan Decoutere表示，CMOS工艺所使用的硅衬底为（100）晶向，这类衬底的市场供应充足、易获取；而氮化镓外延生长则需要使用（111）晶向的硅衬底，目前 8英寸（111）晶向硅衬底因市场需求稳定已形成成熟供应链，但12英寸（111）晶向硅衬底的市场需求尚未形成规模。

Stefaan Decoutere认为，“衬底供应商不会仅为我们的研发需求，专门生产小批量的12英寸（111）晶向硅衬底。” 因此，12英寸硅基氮化镓技术的产业化，还需要等待下游市场需求的培育与衬底供应链的完善。

来源：行家说三代半

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