GaN可靠性里程碑突破硅天花板

半导体行业正处于性能、效率和可靠性必须同步发展的阶段。AI 基础设施、电动汽车、电源转换和通信系统的需求正在将材料推向极限。氮化镓 （GaN） 越来越受到关注，因为它可以满足这些需求。该行业已经到了这样一个地步，人们的话题不再是 GaN 是否可行，而是如何可靠、大规模地部署它。

二十多年来，我专注于外延生长，见证了 GaN 从一种利基研究驱动型材料转变为电力电子领域的领先竞争者。进展是稳定的，不是一蹴而就的。现在倾向于 GaN 的公司和工程师是为下一代系统定位自己的公司。

设备性能从外延开始

对于 GaN，外延定义了器件性能。这在化合物半导体中通常是正确的，但对于 GaN，它不仅重要，而且是超临界的。原因很简单：GaN 和硅从来都不是要一起搭配的。它们在晶格结构和热行为方面都高度不匹配。您不能忽视这一点，并期望材质堆栈按预期运行。

生长开始是第一个关键步骤。例如，在射频应用中，如果外延层不能与衬底干净地接触，则可能会产生降低性能的寄生效应。对于功率器件，如果缺陷率没有得到严格控制，热管理就会成为一个挑战。晶圆平整度、形态和缺陷密度都有助于实现长期可靠性。

这是许多真正的工程设计发生的地方 — 不仅仅是一次取得好的结果，而是在大规模上反复进行。您需要一致性，而不仅仅是性能。如果流程无法扩展，那么技术就无法扩展。

硅基氮化镓将成为性能和成本冠军

硅基氮化镓 （GaN on Silicon） 将在电力电子领域处于领先地位，因为它可以同时满足性能和成本目标。从衬底的角度来看，硅比碳化硅 （SiC） 具有明显的成本优势。它广泛可用，支持更大的晶圆，并利用已经完善的基础设施。这对于为规模而设计并寻求可预测经济性的公司来说非常重要。

从性能角度来看，GaN 可实现更高的开关速度、更好的热性能并降低传导损耗。这些转化为更小的系统、更低的能耗和更少的热管理需求——所有这些都在功率密集型应用中很重要。

成本结构和电气性能的结合使硅基氮化镓成为实用且可扩展的选择。这不是理论上的。它已经用于需要批量效率和可靠性的系统。

GaN 供应链需要新方法

使用 GaN 进行构建意味着应对新的制造挑战。仅安装外延基础设施所需的投资就很大。技能集是专业的。如果您对该过程没有经验，质量变化的风险很高。

这就是 GaN 需要重新思考传统供应链的原因之一。许多公司正在转向的模式是我称之为“虚拟垂直整合”的模式。这是关于在整个价值链（材料、设计、铸造和集成）中建立强大的合作伙伴关系，而不是试图在一个屋檐下做所有事情。这种方法允许更多的关注、更好的一致性以及从开发到生产的更快路径。

我们已经看到这种模型缩短了认证时间并支持更快的设计周期。在需求不断增长但资源有限的领域，这种模型有助于在不牺牲性能或质量的情况下进行扩展。

GaN 对 AI 基础设施至关重要

业界花了很多时间讨论计算，但我们需要更多地关注功率级别发生的事情。如果没有高效的材料，我们就无法提供 AI 工作负载所需的基础设施。即使不考虑净零排放，我们仍然无法使用当前的材料和架构足够快地构建必要的容量。

GaN 电力电子技术使 AI 规模成为可能。它们减少了电源转换中的能量损失，支持更小、更高效的设计，并允许将更多电力输送到需要的地方，而不会产生过多的热量或浪费。

没有 GaN，AI 的功率要求就无法实现。这并不夸张。我们今天看到的数据中心设计正在达到芯片可以有效处理的极限。GaN 以实用、可扩展的方式扩展了这些限制。

欧洲和西方有一个窗口

最近地缘政治的变化凸显了区域能力的重要性。美国和欧洲确实迫切需要建设更多的国内半导体基础设施。GaN 符合这种情况。它支持能源独立、国防准备和数字主权。但要构建真正的能力，您需要的不仅仅是封装或设计 IP，还需要对材料和外延的控制。

目前，GaN 正处于其采用曲线的阶段，仍然可以建立领导地位。窗口已打开。这种情况不会持续太久。如今，投资 GaN 供应链的国家和公司正在为下一代电源、计算和通信系统的领导者做好准备。

展望未来

向 GaN 的转变正在发生，其背后的势头是真实的。表演就在那里。成本轨迹正在改善。需求正在增加。但可靠性取决于材料。这就是过程开始的地方，也是基础必须坚实的地方。

GaN 向主流应用的过渡正在进行中。现在的工作是关于通过控制进行扩展 - 确保材料正确、供应一致，并明确整个供应链的期望。将 GaN 视为系统级材料而不仅仅是器件机会的公司，是行动最快、构建时间最长的公司。

GaN 进入半导体主流的前景已准备就绪。该行业只需要专注于价值的起点 — 原子级。