作为硅之后的新材料，以碳化硅与氮化镓为代表的三代半顺应近年来爆发式增长的新能源、快充、射频通信领域获得了规模化的应用。在传统认知上，我们习惯将电动汽车快充这类高功率场景作为典型的碳化硅应用，将5G射频通信这类高频场景作为典型的氮化镓应用。
但在汉骅半导体眼中，氮化镓这类的三代半材料仍有广阔的想象空间。
近日，汉骅半导体在 8 英寸硅基 GaN MicroLED 外延及多层堆叠技术量产等领域又实现里程碑式的突破，在AI、AR、生命科学、光通信等前端应用场景持续释放需求之下，以氮化镓技术为基石，用晶圆级混合集成技术，汉骅半导体正突破传统应用边界，开拓后摩尔时代下的创新赛道。
材料与工艺共舞，开拓高端显示新领域
雷鸟、Rokid、Meta等已将MicroLED作为显示的主流方案，随着人工智能与光波导技术的加速迭代渗透，AR眼镜迎来了元年时刻。
汉骅半导体CEO顾星
据汉骅半导体CEO顾星介绍，当前主流显示技术中，OLED 存在亮度不足、寿命衰减快的问题，LCoS（硅基液晶）受限于响应速度与功耗，无法满足AR、车载HUD等需要高刷新率、高亮度和低功耗的应用场景。而MicroLED均能解决以上痛点，成为高端显示领域的终极解决方案。
氮化镓因其高频性能突出，单一材料可覆盖红绿蓝全可见光谱，广泛应用于光电子领域，也是生产MicroLED的主要材料。
但MicroLED所需的大尺寸硅基GaN 外延面临性能稳定性、精细间距键合的良率控制、全彩集成的工艺复杂度的问题。
汉骅半导体通过Hybrid Bonding、金属键合、多层堆叠等 3DIC 工艺，解决了MicroLED 的发光性能与量产稳定性以及异构集成的效率与成本问题形成 “材料 - 工艺 - 代工”的技术闭环。
之所以选择硅基衬底，而不是传统蓝宝石衬底，顾星解释称，CMOS驱动电路以硅材料为主，在异质集成的3DIC工艺上可以得到很好的良率。其次，CMOS芯片多以8英寸晶圆以上生产，传统蓝宝石衬底以4英寸和6英寸为主，如果要集成在一起，需要先将8英寸晶圆进行裁切，势必会造成良率上和材料上的损失。
“要实现异质混合集成的前提是需要大尺寸高质量的硅基氮化镓材料，这点并不容易。”顾星进一步指出，氮化镓材料本身比较脆弱，不稳定，会影响MicroLED的发光效率、亮度、颜色等参数。
不同的材料有不一样的特性，在用硅基衬底生长氮化镓时，会面临晶格常数不同所带来的应力和热膨胀系数等问题，特别是从6英寸转向8英寸，尺寸越大问题就越明显。为了解决这些问题，汉骅通过缓冲层结构设计、量子阱（MQW）精准调控优化、晶体质量提升（GaN002&102）等实现性能双倍跃升。
顾星表示，目前汉骅的材料无论是在性能上，包括亮度、效率、可靠性，还是在制造良率上，不仅通过第三方机构测的测试，还经过了下游客户的一系列验证，满足市场应用的需求。
异质混合集成，探索多元应用
后摩尔时代，硅基材料的性能被榨干殆尽，先进制程工艺步入极限，如何延续芯片的创新迭代，除了不断研发新型材料外，改变芯片结构，从原本的2D转向3D堆叠来满足尺寸、功耗和性能的要求，是业界关注的焦点。
比如目前大热的HBM高带宽存储，其应用台积电的先进制造与CoWoS封装工艺，通过硅中介层缩短HBM堆叠芯片与处理器的物理距离，为发挥高带宽性能提供重要支撑。
汉骅8英寸 Hybrid Bonding异质混合集成技术有着异曲同工之妙。
“这个异质混合集成平台与现在存储的堆叠技术类似，本质上是把功能层和驱动层通过晶圆键合的技术连接在一起。”顾星对本刊表示。
据顾星介绍，目前基于Hybrid Bonding工艺，汉骅半导体已实现3.75μm的像素尺寸，键合良率达 95%以上，电学良率达70%以上，键合界面无剥离，满足消费电子可靠性标准，可支撑 1600PPI 显示屏批量生产。今年年底，2.5μm工艺将通线，届时像素密度可提升到2560PPI，键合良率提升到98%以上，电学良率提升至80%以上，匹配高端 AR 眼镜的视网膜级显示需求。
不仅如此，汉骅半导体通过多层堆叠技术，基于 8 英寸硅基集成 CMOS 驱动电路，中间层堆叠红 / 绿 / 蓝三色 MicroLED 外延晶圆，解决 Side-by-Side 方案的像素密度限制与 Chip-on-Board 方案的封装复杂度问题，加速MicroLED全彩商业化进程。
顾星指出，内存中的集成技术还是硅与硅的结合，汉骅的平台是将不同的材料集成在一起，有着非常大的想象空间，比如将基因测序芯片和CMOS驱动集成在一起，是汉骅半导体利用该平台在生命科学领域新的探索。
始于“拨投结合”，坚定看好三代半
汉骅半导体是长三角国家技术创新中心（以下简称长三角国创中心）、苏州工业园区与创始团队三方共同发起，是长三角国创中心采用“拨投结合”创新方式支持的首个具备前瞻性、引领性的重大创新项目公司。
经过多年的发展，汉骅半导体已建立起完整的4/6/8 英寸兼容高端氮化镓材料量产产线，以及国内首条 8 英寸常温晶圆级异质混合集成量产线。
谈到创立汉骅时，顾星直言，创业是要下定决心的。
当时在海外留学的他看到国内受新一代显示技术及功率应用的影响，正大力推动半导体材料的发展，决心回国将自己海外积累的经验落地。此时，他碰到了江苏省产业技术研究院院长刘庆，经过深入交流，顾星的项目成功得到了江苏产研院的支持，并开创了“拨投结合”机制，即用财政资金支持早期科研项目的全新模式。
顾星解释说，创业初期最难解决的是钱，如果初期就引入大量资本，有可能因为股权问题，导致技术团队话语权不够，影响业务发展。而通过拨投结合机制，政府资金通过科研项目的方式给予资金支持，让团队专心开展研发攻关；在项目进展到市场认可的、进行市场融资时，前期政府投入的项目资金，使用拨投结合的方式，参照市场化方式进行管理和退出。
2017年汉骅正式成立，正式迎来量产节点是5年后。
“第三代半导体的技术发展已经有20年了，真正进入规模化市场也就近几年。我们当时坚定看好碳化硅在功率上的应用和氮化镓在通信上的应用。”顾星说，“但我们的产品对客户来说是新的，认证需要很长的周期。同时我们瞄准的领域也是新的，比如AR。你在等待时机成熟的同时，客户也在观察你值不值得信任。”
这几年三代半材料的发展是有目共睹，有些是顾星所预料到的，比如车载快充，也有些是超出了顾星原本的预期，比如基因测序，今年这部分业务的增长出人意料。
在顾星看来，三代半是对半导体材料很好的补充，它不会影响硅基半导体的地位，甚至在某些应用场景上互相没有可替代性。
“未来人工智能带来的巨大耗电量，数据中心里的光通信，车载HUD和AR眼镜的高端显示，以及基因测序这些板块都将迎来高速发展，氮化镓会有无限的想象空间。”