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(dòng)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?yàn)樗梢詽M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(zhǎng)，見證了 GaN 從一種利基研究驅(qū)動(dòng)型材料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏﹄娮宇I(lǐng)域的領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)者。進(jìn)展是穩(wěn)定的，不是一蹴而就的?，F(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(duì)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(duì)于 GaN，它不僅重要，而且是超臨界的。原因很簡(jiǎn)單：GaN 和硅從來都不是要一起搭配的。它們?cè)诰Ц窠Y(jié)構(gòu)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(yù)期運(yùn)行。

生長(zhǎng)開始是第一個(gè)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(huì)產(chǎn)生降低性能的寄生效應(yīng)。對(duì)于功率器件，如果缺陷率沒有得到嚴(yán)格控制，熱管理就會(huì)成為一個(gè)挑戰(zhàn)。晶圓平整度、形態(tài)和缺陷密度都有助于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠性。

這是許多真正的工程設(shè)計(jì)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(jìn)行。您需要一致性，而不僅僅是性能。如果流程無法擴(kuò)展，那么技術(shù)就無法擴(kuò)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?yàn)樗梢酝瑫r(shí)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(shì)。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(duì)于為規(guī)模而設(shè)計(jì)并尋求可預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)性的公司來說非常重要。

從性能角度來看，GaN 可實(shí)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(shí)用且可擴(kuò)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(jìn)行構(gòu)建意味著應(yīng)對(duì)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(duì)該過程沒有經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量變化的風(fēng)險(xiǎn)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(gè)價(jià)值鏈（材料、設(shè)計(jì)、鑄造和集成）中建立強(qiáng)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(shí)間并支持更快的設(shè)計(jì)周期。在需求不斷增長(zhǎng)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(kuò)展。

GaN 對(duì) AI 基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要

業(yè)界花了很多時(shí)間討論計(jì)算，但我們需要更多地關(guān)注功率級(jí)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(jì)，并允許將更多電力輸送到需要的地方，而不會(huì)產(chǎn)生過多的熱量或浪費(fèi)。

沒有 GaN，AI 的功率要求就無法實(shí)現(xiàn)。這并不夸張。我們今天看到的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)正在達(dá)到芯片可以有效處理的極限。GaN 以實(shí)用、可擴(kuò)展的方式擴(kuò)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(qū)域能力的重要性。美國(guó)和歐洲確實(shí)迫切需要建設(shè)更多的國(guó)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(dú)立、國(guó)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(jì) IP，還需要對(duì)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(huì)持續(xù)太久。如今，投資 GaN 供應(yīng)鏈的國(guó)家和公司正在為下一代電源、計(jì)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(shì)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。這就是過程開始的地方，也是基礎(chǔ)必須堅(jiān)實(shí)的地方。

GaN 向主流應(yīng)用的過渡正在進(jìn)行中?，F(xiàn)在的工作是關(guān)于通過控制進(jìn)行擴(kuò)展 - 確保材料正確、供應(yīng)一致，并明確整個(gè)供應(yīng)鏈的期望。將 GaN 視為系統(tǒng)級(jí)材料而不僅僅是器件機(jī)會(huì)的公司，是行動(dòng)最快、構(gòu)建時(shí)間最長(zhǎng)的公司。

GaN 進(jìn)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(jià)值的起點(diǎn) — 原子級(jí)。