GaN可靠性里程碑突破硅天花板

半導體行業(yè)正處于性能、效率和可靠性必須同步發(fā)展的階段。AI 基礎設施、電動(dòng)汽車(chē)、電源轉換和通信系統的需求正在將材料推向極限。氮化鎵 （GaN） 越來(lái)越受到關(guān)注，因為它可以滿(mǎn)足這些需求。該行業(yè)已經(jīng)到了這樣一個(gè)地步，人們的話(huà)題不再是 GaN 是否可行，而是如何可靠、大規模地部署它。

二十多年來(lái)，我專(zhuān)注于外延生長(cháng)，見(jiàn)證了 GaN 從一種利基研究驅動(dòng)型材料轉變?yōu)殡娏﹄娮宇I(lǐng)域的領(lǐng)先競爭者。進(jìn)展是穩定的，不是一蹴而就的?，F在傾向于 GaN 的公司和工程師是為下一代系統定位自己的公司。

設備性能從外延開(kāi)始

對于 GaN，外延定義了器件性能。這在化合物半導體中通常是正確的，但對于 GaN，它不僅重要，而且是超臨界的。原因很簡(jiǎn)單：GaN 和硅從來(lái)都不是要一起搭配的。它們在晶格結構和熱行為方面都高度不匹配。您不能忽視這一點(diǎn)，并期望材質(zhì)堆棧按預期運行。

生長(cháng)開(kāi)始是第一個(gè)關(guān)鍵步驟。例如，在射頻應用中，如果外延層不能與襯底干凈地接觸，則可能會(huì )產(chǎn)生降低性能的寄生效應。對于功率器件，如果缺陷率沒(méi)有得到嚴格控制，熱管理就會(huì )成為一個(gè)挑戰。晶圓平整度、形態(tài)和缺陷密度都有助于實(shí)現長(cháng)期可靠性。

這是許多真正的工程設計發(fā)生的地方 — 不僅僅是一次取得好的結果，而是在大規模上反復進(jìn)行。您需要一致性，而不僅僅是性能。如果流程無(wú)法擴展，那么技術(shù)就無(wú)法擴展。

硅基氮化鎵將成為性能和成本冠軍

硅基氮化鎵 （GaN on Silicon） 將在電力電子領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，因為它可以同時(shí)滿(mǎn)足性能和成本目標。從襯底的角度來(lái)看，硅比碳化硅 （SiC） 具有明顯的成本優(yōu)勢。它廣泛可用，支持更大的晶圓，并利用已經(jīng)完善的基礎設施。這對于為規模而設計并尋求可預測經(jīng)濟性的公司來(lái)說(shuō)非常重要。

從性能角度來(lái)看，GaN 可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)速度、更好的熱性能并降低傳導損耗。這些轉化為更小的系統、更低的能耗和更少的熱管理需求——所有這些都在功率密集型應用中很重要。

成本結構和電氣性能的結合使硅基氮化鎵成為實(shí)用且可擴展的選擇。這不是理論上的。它已經(jīng)用于需要批量效率和可靠性的系統。

GaN 供應鏈需要新方法

使用 GaN 進(jìn)行構建意味著(zhù)應對新的制造挑戰。僅安裝外延基礎設施所需的投資就很大。技能集是專(zhuān)業(yè)的。如果您對該過(guò)程沒(méi)有經(jīng)驗，質(zhì)量變化的風(fēng)險很高。

這就是 GaN 需要重新思考傳統供應鏈的原因之一。許多公司正在轉向的模式是我稱(chēng)之為“虛擬垂直整合”的模式。這是關(guān)于在整個(gè)價(jià)值鏈（材料、設計、鑄造和集成）中建立強大的合作伙伴關(guān)系，而不是試圖在一個(gè)屋檐下做所有事情。這種方法允許更多的關(guān)注、更好的一致性以及從開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)的更快路徑。

我們已經(jīng)看到這種模型縮短了認證時(shí)間并支持更快的設計周期。在需求不斷增長(cháng)但資源有限的領(lǐng)域，這種模型有助于在不犧牲性能或質(zhì)量的情況下進(jìn)行擴展。

GaN 對 AI 基礎設施至關(guān)重要

業(yè)界花了很多時(shí)間討論計算，但我們需要更多地關(guān)注功率級別發(fā)生的事情。如果沒(méi)有高效的材料，我們就無(wú)法提供 AI 工作負載所需的基礎設施。即使不考慮凈零排放，我們仍然無(wú)法使用當前的材料和架構足夠快地構建必要的容量。

GaN 電力電子技術(shù)使 AI 規模成為可能。它們減少了電源轉換中的能量損失，支持更小、更高效的設計，并允許將更多電力輸送到需要的地方，而不會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的熱量或浪費。

沒(méi)有 GaN，AI 的功率要求就無(wú)法實(shí)現。這并不夸張。我們今天看到的數據中心設計正在達到芯片可以有效處理的極限。GaN 以實(shí)用、可擴展的方式擴展了這些限制。

歐洲和西方有一個(gè)窗口

最近地緣政治的變化凸顯了區域能力的重要性。美國和歐洲確實(shí)迫切需要建設更多的國內半導體基礎設施。GaN 符合這種情況。它支持能源獨立、國防準備和數字主權。但要構建真正的能力，您需要的不僅僅是封裝或設計 IP，還需要對材料和外延的控制。

目前，GaN 正處于其采用曲線(xiàn)的階段，仍然可以建立領(lǐng)導地位。窗口已打開(kāi)。這種情況不會(huì )持續太久。如今，投資 GaN 供應鏈的國家和公司正在為下一代電源、計算和通信系統的領(lǐng)導者做好準備。

展望未來(lái)

向 GaN 的轉變正在發(fā)生，其背后的勢頭是真實(shí)的。表演就在那里。成本軌跡正在改善。需求正在增加。但可靠性取決于材料。這就是過(guò)程開(kāi)始的地方，也是基礎必須堅實(shí)的地方。

GaN 向主流應用的過(guò)渡正在進(jìn)行中?，F在的工作是關(guān)于通過(guò)控制進(jìn)行擴展 - 確保材料正確、供應一致，并明確整個(gè)供應鏈的期望。將 GaN 視為系統級材料而不僅僅是器件機會(huì )的公司，是行動(dòng)最快、構建時(shí)間最長(cháng)的公司。

GaN 進(jìn)入半導體主流的前景已準備就緒。該行業(yè)只需要專(zhuān)注于價(jià)值的起點(diǎn) — 原子級。