降低氮化鎵襯底成本，他們找到了新方法

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2022-06-09 17:13:18 6

2022年5月，名古屋大學未來材料與系統研究所的Hiroshi Amano教授和副教授Atsuyuki Tanaka組成的研究小組決定在“短時間內”以“小損耗”切割出GaN（氮化鎵）襯底宣布開發出可與Hamamatsu Photonics合作使用的激光切片技術。作為能夠降低 GaN 器件成本的技術而備受矚目。

單晶GaN襯底是一種能夠生產高性能功率半導體的材料，也可用作發光器件的材料。另一方面，由于晶體是硬而脆的物質，加工難度大，從GaN晶體切出的GaN襯底價格高，擴大應用存在問題。

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，利用激光技術的方法使用GaN切割進行切割。因此，原則上不會產生碎屑等廢棄物。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晶體而不會產生大的振動或應力，因此可用于制造功率半導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，可降低器件生產成本

今年三月，據businesswire 報道，豐田合成Toyoda Gosei 與大阪大學合作，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機械、汽車、家用電子等領域，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，因此需要更高質量和更大直徑的 GaN 襯底，以實現更高的生產效率（降低成本）。

在日本環境省牽頭的一個項目中，豐田合成和大阪大學采用了一種在鈉和鎵的液態金屬中生長 GaN 晶體的方法，來制造高質量的 GaN 襯底，成功制造出了 6 英寸的襯底，為目前*最大的襯底。

豐田合成接下來將對 6 英寸襯底的批量生產進行質量評估，繼續提高質量，并繼續增加直徑尺寸，有望超過 6 英寸。

GaN如何改變半導體的未來？

GaN正在幫助半導體行業擺脫對硅的依賴。

全球半導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品的生產。專家表示，該行業可能需要幾個月的時間才能恢復，但實際上短缺正在永遠改變消費電子產品。

該行業幾十年來一直依賴硅，但芯片短缺正在幫助電子設備更環保、更高效、更小。越來越多的公司開始轉向氮化鎵 (GaN)，因為它比硅芯片更容易、更快地生產，還有其他好處。

TechRadar Pro采訪了Navitas半導體公司的企業營銷和投資者關系副總裁斯蒂芬·奧利弗，以了解短缺如何影響消費電子產品，并將行業從硅轉移。Navitas為Anker、Aukey、Belkin、Dell、Hyper、聯想、OPPO、RAVPower、Verizon等數十家公司提供GaN芯片。

Navitas 就 GaN 電源市場的一些行業趨勢回答了這些問題：

什么是 GaN，為什么它如此重要？

氮化鎵(GaN)由原子序數31的鎵和原子序數7的氮結合而成，是一種具有堅硬的六角形晶體結構的寬帶隙半導體材料。帶隙是將電子從圍繞原子核的軌道上釋放出來所需的能量，在3.4 eV時，氮化鎵的帶隙是硅的三倍以上，因此被稱為“寬”帶隙或WBG。

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具有非常短或窄耗盡區的半導體，從而產生具有非常高載流子密度的器件結構。通過更小的晶體管和更短的電流路徑，實現了超低電阻和電容，使速度提高了100倍。

最重要的是，GaN 技術可以以比傳統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速度。此外，GaN 技術可以在比硅基技術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用中提供顯著改進的性能，同時與傳統的硅技術相比，它減少了提供該性能所需的能量和物理空間。在硅作為功率轉換平臺已達到其物理極限的某些應用中，氮化鎵技術變得至關重要，而在其他應用中，效率、開關速度、尺寸和高溫操作的優勢結合在一起，使GaN越來越有吸引力。

隨著全球能源需求的增加，轉向GaN技術將有助于滿足需求，同時將碳排放量保持在最低水平。事實上，氮化鎵的設計和集成已被證明可以交付下一代功率半導體，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，據估計，全球Si-to-GaN數據中心的升級將減少30-40%的能源損失，這意味著到2030年將節省超過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？

鎵在自然界中不以單質形式存在。它通常是鋁土礦冶煉成鋁和閃鋅礦加工鋅的副產品，因此提取和精煉的碳足跡非常低。

鎵的價格是多少？

鎵的年產量超過300噸，估計全*的儲量超過100萬噸。由于它是一種加工副產品，成本相對較低，約300美元/公斤，比黃金(約6萬美元/公斤)低200倍。

GaN在電子產品中的用途是什么？

氮化鎵長期以來一直用于生產 LED 和射頻元件，但現在正逐漸被越來越多的電源開關和轉換應用所接受。在這里，基于 GaN 的 IC 可以滿足提高系統性能和效率、節省空間并在更高溫度下提供可靠運行的需求。

在手機和筆記本電腦中，GSM 和 Wi-Fi 信號使用 GaN RF 設備進行傳輸和接收，而為這些設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。

氮化鎵功率半導體也被部署在數據中心服務器上。隨著數據中心流量的加速，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。

數據中心硬件的整合、新的 HVDC 架構方法以及經過驗證的量產、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 代表了數據中心行業朝著碳“凈零”目標邁出的又一步。

在汽車行業，氮化鎵正成為混合動力和電動汽車中功率轉換和電池充電的*技術。基于 GaN 的電源產品也越來越多地出現在太陽能裝置使用的逆變器以及電機驅動和其他工業應用的電源轉換方案中。

為什么 GaN 不受當前芯片短缺的影響？

硅是一種商品，因此制造商需要以高負載百分比、3 班制、24/7 全天候運行來賺錢，需要較長的交貨時間和高資本支出來增加產能。硅芯片制造商很難啟動和停止（由于 Covid 的不確定性），并且從任何停止中恢復的靈活性都非常有限

另一方面，GaN 的交貨時間非常快，只需 12 周，備用產能迅速增加，而某些硅器件需要 52 周以上。GaN 的生產效率比硅更高，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？

氮化鎵 (GaN) 是一種“寬帶隙”(WBG) 材料，帶隙是將電子從圍繞原子核的軌道釋放并允許其自由穿過固體所需的能量。這反過來又決定了固體能夠承受的電場。

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，耗盡區可以非常短或窄，因此器件結構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。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，從歸一化導通電阻 (RDS(ON)) 和柵極電荷 (QG) 的乘積中得出的品質因數可能比硅好 5 倍到 20 倍，具體取決于實現方式。通過促進更小的晶體管和更短的電流路徑，實現了超低電阻和電容，并且開關速度快了一百倍。

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 被引入以將開關頻率從 65-100 kHz 提高到 1 MHz+，并且正在開發新的控制器。微控制器和數字信號處理器 (DSP) 也可用于實現當今的軟開關電路拓撲，同時針對 1-2 MHz 范圍優化的各種磁性材料現已上市。

GaN功率ic在半橋拓撲(如有源箝位反激式、圖騰柱PFC和LLC)中結合了頻率、密度和效率優勢。通過從硬開關拓撲到軟開關拓撲的改變，一次場效應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 納米的工藝設備來獲得非常精細的特征尺寸以進行數字處理。因此，最佳的方法是使用 GaN 進行“功率轉換”，使用硅進行“數據處理”。

GaN 的未來會怎樣？

憑借創紀錄的性能，氮化鎵功率 IC 成為電力電子領域第二次革命的催化劑。氮化鎵目前覆蓋的器件電壓范圍為80-900V，正在進行的研究工作將其降低或提高。

是什么推動了充電容量的快速增長？

對于移動市場，在更大屏幕和更多特性和功能的推動下，電池尺寸 (mAhr) 在三年內增加了 10 倍，而用戶希望在最短的時間內為設備充電。新型氮化鎵 (GaN) 半導體技術是充電容量快速提升的基礎，因為與傳統硅技術相比，它們可以顯著提高各種應用的性能，同時減少提供該性能所需的能量和物理空間。GaN IC 的運行速度比舊的慢速硅 (Si) 芯片快 20 倍，并且在尺寸和重量減半的情況下實現高達 3 倍的功率提升或 3 倍的充電速度。

此外，全球需要更環保的能源。與硅系統相比，使用 GaN 功率 IC 的高效、高速應用更小、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 可節省 4 kg 二氧化碳。GaN 可以節省高達 2.6 噸/年的二氧化碳排放量——相當于 650 座燃煤發電站的排放量

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？

通用串行總線供電 (USB-PD) 協議是充電器和被驅動設備（無論是手機、平板電腦、筆記本電腦還是耳塞式耳機）之間的通信和保護回路。例如，智能手機會告知充電器要提供多少功率和電壓，這在電池技術的設計限制范圍內是安全的。同時，石墨烯鋰離子等新型電池技術可以實現更快的充電速度、低溫運行和長壽命。例如，新的 Realme Neo GT 3 使用 150W 超快速充電器，只需 9 分鐘即可為 4,500mAh 電池從 0-100% 供電，同時保持電池處于低溫狀態。充電協議還可以在電池電量耗盡/電量不足時啟用高電流（充電速率），然后在電池接近充滿電時降低電流。

我們能否看到這種技術出現在大容量電源仍然是常態的 PC 和筆記本電腦上？

當然，GaN 充電器已經進入筆記本電腦充電器，例如 LG gram、戴爾 Latitude、聯想和 Yoga 筆記本電腦。例如，新的戴爾 60W 充電器是傳統硅基充電器的“內置”可選升級。這款充電器的尺寸僅為 66 x 55 x 22 毫米（94 毫升），重量僅為 175 克，比上一代硅基充電器小 50%，輕 25%。還應注意，GaN 的“綠色”優勢使 OEM 能夠實現其“凈零”目標——例如，基于 GaN 的 65W 適配器的二氧化碳排放量比傳統硅低 30%。

更快甚至準瞬時充電的極限在哪里，還有哪些障礙？

通用串行總線供電 (USB-PD) 協議具有擴展的功率范圍，現在高達 240W，可實現互操作性，加快市場接受度。OPPO已經發布了一個功率高達 240W 的平臺，因此“即時充電”智能手機可能即將問世。

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品？

毫無疑問，同樣快 3 倍的充電速度可以應用于任何基于電池的應用——減少續航里程和充電時間焦慮。與傳統的硅解決方案相比，基于 GaN 的車載充電器 (OBC) 估計充電速度快 3 倍，節能高達 70%。據估計，GaN OBC、DC-DC 轉換器和牽引逆變器將擴大電動汽車的續航里程或將電池成本降低 5%，并將全球電動汽車的采用速度加快 3 年。將電動汽車升級到 GaN 可以在三年內推動全球電動汽車的采用，據估計，到 2050 年，道路部門的二氧化碳排放量每年將減少 20%，這是《巴黎協定》的目標。這對我們所有人來說都是一個關鍵領域。

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