降低氮化鎵襯底成本，他們找到了新方法
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來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自eetjp，謝謝。
2022年5月，名古屋大學(xué)未來材料與系統(tǒng)研究所的Hiroshi Amano教授和副教授Atsuyuki Tanaka組成的研究小組決定在“短時間內(nèi)”以“小損耗”切割出GaN（氮化鎵）襯底宣布開發(fā)出可與Hamamatsu Photonics合作使用的激光切片技術(shù)。作為能夠降低 GaN 器件成本的技術(shù)而備受矚目。
單晶GaN襯底是一種能夠生產(chǎn)高性能功率半導(dǎo)體的材料，也可用作發(fā)光器件的材料。另一方面，由于晶體是硬而脆的物質(zhì)，加工難度大，從GaN晶體切出的GaN襯底價格高，擴大應(yīng)用存在問題。
作為從GaN晶體切出GaN基板的方法，目前使用線鋸等。用這種方法，切割部分的晶體變成碎片，造成浪費。為了使切割表面變平，可能需要在切片后進行拋光步驟。
另一方面，利用激光技術(shù)的方法使用GaN切割進行切割。因此，原則上不會產(chǎn)生碎屑等廢棄物。切面波紋少，可以抑制切片后的拋光量。此外，由于它可以切割GaN晶體而不會產(chǎn)生大的振動或應(yīng)力，因此可用于制造功率半導(dǎo)體后的基板減薄工藝。
豐田合成成功研制出 6 英寸氮化鎵 GaN 襯底，可降低器件生產(chǎn)成本
今年三月，據(jù)businesswire 報道，豐田合成Toyoda Gosei 與大阪大學(xué)合作，成功研制出了 6 英寸的氮化鎵 GaN 襯底。
GaN 功率器件廣泛用于工業(yè)機械、汽車、家用電子等領(lǐng)域，隨著全球碳中和的目標，GaN 功率器件作為減少電力損失的一種手段而被寄予厚望，因此需要更高質(zhì)量和更大直徑的 GaN 襯底，以實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率（降低成本）。
在日本環(huán)境省牽頭的一個項目中，豐田合成和大阪大學(xué)采用了一種在鈉和鎵的液態(tài)金屬中生長 GaN 晶體的方法，來制造高質(zhì)量的 GaN 襯底，成功制造出了 6 英寸的襯底，為目前世界最大的襯底。
豐田合成接下來將對 6 英寸襯底的批量生產(chǎn)進行質(zhì)量評估，繼續(xù)提高質(zhì)量，并繼續(xù)增加直徑尺寸，有望超過 6 英寸。
GaN如何改變半導(dǎo)體的未來？
GaN正在幫助半導(dǎo)體行業(yè)擺脫對硅的依賴。
全球半導(dǎo)體短缺正在推遲從冰箱和微波爐到游戲機和智能手機的所有產(chǎn)品的生產(chǎn)。專家表示，該行業(yè)可能需要幾個月的時間才能恢復(fù)，但實際上短缺正在永遠改變消費電子產(chǎn)品。
該行業(yè)幾十年來一直依賴硅，但芯片短缺正在幫助電子設(shè)備更環(huán)保、更高效、更小。越來越多的公司開始轉(zhuǎn)向氮化鎵 (GaN)，因為它比硅芯片更容易、更快地生產(chǎn)，還有其他好處。
TechRadar Pro采訪了Navitas半導(dǎo)體公司的企業(yè)營銷和投資者關(guān)系副總裁斯蒂芬·奧利弗，以了解短缺如何影響消費電子產(chǎn)品，并將行業(yè)從硅轉(zhuǎn)移。Navitas為Anker、Aukey、Belkin、Dell、Hyper、聯(lián)想、OPPO、RAVPower、Verizon等數(shù)十家公司提供GaN芯片。
Navitas 就 GaN 電源市場的一些行業(yè)趨勢回答了這些問題：
什么是 GaN，為什么它如此重要？
由于帶隙決定了材料可以承受的電場，氮化鎵的更寬帶隙使得能夠開發(fā)具有非常短或窄耗盡區(qū)的半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生具有非常高載流子密度的器件結(jié)構(gòu)。通過更小的晶體管和更短的電流路徑，實現(xiàn)了超低電阻和電容，使速度提高了100倍。
最重要的是，GaN 技術(shù)可以以比傳統(tǒng)硅小得多的尺寸處理更大的電場，同時提供顯著更快的開關(guān)速度。此外，GaN 技術(shù)可以在比硅基技術(shù)更高的最高溫度下運行。
GaN 的重要性與日俱增，因為它能夠在廣泛的應(yīng)用中提供顯著改進的性能，同時與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，它減少了提供該性能所需的能量和物理空間。在硅作為功率轉(zhuǎn)換平臺已達到其物理極限的某些應(yīng)用中，氮化鎵技術(shù)變得至關(guān)重要，而在其他應(yīng)用中，效率、開關(guān)速度、尺寸和高溫操作的優(yōu)勢結(jié)合在一起，使GaN越來越有吸引力。
隨著全球能源需求的增加，轉(zhuǎn)向GaN技術(shù)將有助于滿足需求，同時將碳排放量保持在最低水平。事實上，氮化鎵的設(shè)計和集成已被證明可以交付下一代功率半導(dǎo)體，其碳足跡比舊的、速度較慢的硅芯片低十倍。為了進一步支持氮化鎵的情況，據(jù)估計，全球Si-to-GaN數(shù)據(jù)中心的升級將減少30-40%的能源損失，這意味著到2030年將節(jié)省超過100萬億瓦特的能源和1.25億噸的二氧化碳排放。
鎵是如何制成的？
鎵的價格是多少？
GaN在電子產(chǎn)品中的用途是什么？
在手機和筆記本電腦中，GSM 和 Wi-Fi 信號使用 GaN RF 設(shè)備進行傳輸和接收，而為這些設(shè)備供電的充電器和適配器越來越多地采用 GaN。事實上，目前最大的功率 GaN 市場是移動快速充電，其中 GaN 功率 IC 可以使適配器的充電速度提高三倍，而適配器的尺寸和重量只有基于硅的慢速設(shè)計的一半。更重要的是，對于單輸出充電器，GaN 零售推出價格約為之前同類最佳硅充電器的一半，而多輸出充電器則低三倍。
氮化鎵功率半導(dǎo)體也被部署在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上。隨著數(shù)據(jù)中心流量的加速，硅高效處理電力的能力遇到了“物理材料”的障礙。因此，老式、緩慢的硅芯片被高速的氮化鎵集成電路所取代。
數(shù)據(jù)中心硬件的整合、新的 HVDC 架構(gòu)方法以及經(jīng)過驗證的量產(chǎn)、高度集成的 GaN 功率 IC 的可靠性能夠顯著提高效率。因此，部署 GaN 代表了數(shù)據(jù)中心行業(yè)朝著碳“凈零”目標邁出的又一步。
在汽車行業(yè)，氮化鎵正成為混合動力和電動汽車中功率轉(zhuǎn)換和電池充電的首選技術(shù)?；?GaN 的電源產(chǎn)品也越來越多地出現(xiàn)在太陽能裝置使用的逆變器以及電機驅(qū)動和其他工業(yè)應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換方案中。
為什么 GaN 不受當前芯片短缺的影響？
另一方面，GaN 的交貨時間非?？?，只需 12 周，備用產(chǎn)能迅速增加，而某些硅器件需要 52 周以上。GaN 的生產(chǎn)效率比硅更高，制造工藝更靈活，因此 GaN 不會像硅那樣受到影響。
GaN會成為硅的替代品嗎？
硅 (Si) 的帶隙為 1.1 eV，而 GaN 的帶隙為 3.4 eV。由于 WBG 材料允許高電場，耗盡區(qū)可以非常短或窄，因此器件結(jié)構(gòu)可以具有更高的載流子密度并且可以非常密集地封裝。
例如，一個典型的 650 V 橫向 GaN 晶體管可以支持超過 800 V 并且具有 10-20 μm 或大約 40-80 V/μm 的漏極漂移區(qū)。這大大高于硅的理論極限，約為 20 V/μm。然而，它仍然遠遠低于約 300 V/μm 的帶隙限制，為未來橫向 GaN 器件的世代改進留下了很大的空間。
在器件級方面，從歸一化導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 和柵極電荷 (QG) 的乘積中得出的品質(zhì)因數(shù)可能比硅好 5 倍到 20 倍，具體取決于實現(xiàn)方式。通過促進更小的晶體管和更短的電流路徑，實現(xiàn)了超低電阻和電容，并且開關(guān)速度快了一百倍。
為了充分利用 GaN 功率 IC 的能力，電路的其余部分也必須能夠在更高的頻率下有效運行。近年來，控制 IC 被引入以將開關(guān)頻率從 65-100 kHz 提高到 1 MHz+，并且正在開發(fā)新的控制器。微控制器和數(shù)字信號處理器 (DSP) 也可用于實現(xiàn)當今的軟開關(guān)電路拓撲，同時針對 1-2 MHz 范圍優(yōu)化的各種磁性材料現(xiàn)已上市。
GaN功率ic在半橋拓撲(如有源箝位反激式、圖騰柱PFC和LLC)中結(jié)合了頻率、密度和效率優(yōu)勢。通過從硬開關(guān)拓撲到軟開關(guān)拓撲的改變，一次場效應(yīng)晶體管的一般損耗方程可以最小化，從而在更高的頻率下提高效率。
GaN 使用 250-350 nm CMOS 設(shè)備進行加工，用于功率處理的特征尺寸相對較大。CPU、GPU 使用約 1V 的硅，并使用低于 10 納米的工藝設(shè)備來獲得非常精細的特征尺寸以進行數(shù)字處理。因此，最佳的方法是使用 GaN 進行“功率轉(zhuǎn)換”，使用硅進行“數(shù)據(jù)處理”。
GaN 的未來會怎樣？
是什么推動了充電容量的快速增長？
此外，全球需要更環(huán)保的能源。與硅系統(tǒng)相比，使用 GaN 功率 IC 的高效、高速應(yīng)用更小、更輕、使用更少的材料和更少的能源。每個出廠的清潔、綠色 GaN 功率 IC 可節(jié)省 4 kg 二氧化碳。GaN 可以節(jié)省高達 2.6 噸/年的二氧化碳排放量——相當于 650 座燃煤發(fā)電站的排放量
有人認為快速充電可能會損壞電池，如今這種說法有多正確？
我們能否看到這種技術(shù)出現(xiàn)在大容量電源仍然是常態(tài)的 PC 和筆記本電腦上？
更快甚至準瞬時充電的極限在哪里，還有哪些障礙？
會在某個時候把它推廣到汽車上嗎？或其他需要快速充電的產(chǎn)品？
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