GaN可靠性里程碑突破硅天花板

半導(dǎo)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(chǔ)設(shè)施、電動汽車、電源轉(zhuǎn)換和通信系統(tǒng)的需求正在將材料推向極限。氮化鎵 （GaN） 越來越受到關(guān)注，因為它可以滿足這些需求。該行業(yè)已經(jīng)到了這樣一個地步，人們的話題不再是 GaN 是否可行，而是如何可靠、大規(guī)模地部署它。

二十多年來，我專注于外延生長，見證了 GaN 從一種利基研究驅(qū)動型材料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏﹄娮宇I(lǐng)域的領(lǐng)先競爭者。進展是穩(wěn)定的，不是一蹴而就的。現(xiàn)在傾向于 GaN 的公司和工程師是為下一代系統(tǒng)定位自己的公司。

設(shè)備性能從外延開始

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

生長開始是第一個關(guān)鍵步驟。例如，在射頻應(yīng)用中，如果外延層不能與襯底干凈地接觸，則可能會產(chǎn)生降低性能的寄生效應(yīng)。對于功率器件，如果缺陷率沒有得到嚴(yán)格控制，熱管理就會成為一個挑戰(zhàn)。晶圓平整度、形態(tài)和缺陷密度都有助于實現(xiàn)長期可靠性。

這是許多真正的工程設(shè)計發(fā)生的地方 — 不僅僅是一次取得好的結(jié)果，而是在大規(guī)模上反復(fù)進行。您需要一致性，而不僅僅是性能。如果流程無法擴展，那么技術(shù)就無法擴展。

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，因為它可以同時滿足性能和成本目標(biāo)。從襯底的角度來看，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(chǔ)設(shè)施。這對于為規(guī)模而設(shè)計并尋求可預(yù)測經(jīng)濟性的公司來說非常重要。

從性能角度來看，GaN 可實現(xiàn)更高的開關(guān)速度、更好的熱性能并降低傳導(dǎo)損耗。這些轉(zhuǎn)化為更小的系統(tǒng)、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(yīng)用中很重要。

成本結(jié)構(gòu)和電氣性能的結(jié)合使硅基氮化鎵成為實用且可擴展的選擇。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(tǒng)。

GaN 供應(yīng)鏈需要新方法

使用 GaN 進行構(gòu)建意味著應(yīng)對新的制造挑戰(zhàn)。僅安裝外延基礎(chǔ)設(shè)施所需的投資就很大。技能集是專業(yè)的。如果您對該過程沒有經(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(tǒng)供應(yīng)鏈的原因之一。許多公司正在轉(zhuǎn)向的模式是我稱之為“虛擬垂直整合”的模式。這是關(guān)于在整個價值鏈（材料、設(shè)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(rèn)證時間并支持更快的設(shè)計周期。在需求不斷增長但資源有限的領(lǐng)域，這種模型有助于在不犧牲性能或質(zhì)量的情況下進行擴展。

GaN 對 AI 基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要

業(yè)界花了很多時間討論計算，但我們需要更多地關(guān)注功率級別發(fā)生的事情。如果沒有高效的材料，我們就無法提供 AI 工作負(fù)載所需的基礎(chǔ)設(shè)施。即使不考慮凈零排放，我們?nèi)匀粺o法使用當(dāng)前的材料和架構(gòu)足夠快地構(gòu)建必要的容量。

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

沒有 GaN，AI 的功率要求就無法實現(xiàn)。這并不夸張。我們今天看到的數(shù)據(jù)中心設(shè)計正在達到芯片可以有效處理的極限。GaN 以實用、可擴展的方式擴展了這些限制。

歐洲和西方有一個窗口

最近地緣政治的變化凸顯了區(qū)域能力的重要性。美國和歐洲確實迫切需要建設(shè)更多的國內(nèi)半導(dǎo)體基礎(chǔ)設(shè)施。GaN 符合這種情況。它支持能源獨立、國防準(zhǔn)備和數(shù)字主權(quán)。但要構(gòu)建真正的能力，您需要的不僅僅是封裝或設(shè)計 IP，還需要對材料和外延的控制。

目前，GaN 正處于其采用曲線的階段，仍然可以建立領(lǐng)導(dǎo)地位。窗口已打開。這種情況不會持續(xù)太久。如今，投資 GaN 供應(yīng)鏈的國家和公司正在為下一代電源、計算和通信系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者做好準(zhǔn)備。

展望未來

向 GaN 的轉(zhuǎn)變正在發(fā)生，其背后的勢頭是真實的。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。這就是過程開始的地方，也是基礎(chǔ)必須堅實的地方。

GaN 向主流應(yīng)用的過渡正在進行中。現(xiàn)在的工作是關(guān)于通過控制進行擴展 - 確保材料正確、供應(yīng)一致，并明確整個供應(yīng)鏈的期望。將 GaN 視為系統(tǒng)級材料而不僅僅是器件機會的公司，是行動最快、構(gòu)建時間最長的公司。

GaN 進入半導(dǎo)體主流的前景已準(zhǔn)備就緒。該行業(yè)只需要專注于價值的起點 — 原子級。