2022年5月，名古屋大学未来材料与系统研究所的Hiroshi Amano教授和副教授Atsuyuki Tanaka组成的研究小组决定在“短时间内”以“小损耗”切割出GaN（氮化镓）衬底宣布开发出可与Hamamatsu Photonics合作使用的激光切片技术。作为能够降低 GaN 器件成本的技术而备受瞩目。
单晶GaN衬底是一种能够生产高性能功率半导体的材料，也可用作发光器件的材料。另一方面，由于晶体是硬而脆的物质，加工难度大，从GaN晶体切出的GaN衬底价格高，扩大应用存在问题。
作为从GaN晶体切出GaN基板的方法，目前使用线锯等。用这种方法，切割部分的晶体变成碎片，造成浪费。为了使切割表面变平，可能需要在切片后进行抛光步骤。
另一方面，利用激光技术的方法使用GaN切割进行切割。因此，原则上不会产生碎屑等废弃物。切面波纹少，可以抑制切片后的抛光量。此外，由于它可以切割GaN晶体而不会产生大的振动或应力，因此可用于制造功率半导体后的基板减薄工艺。
丰田合成成功研制出 6 英寸氮化镓 GaN 衬底，可降低器件生产成本
今年三月，据businesswire 报道，丰田合成Toyoda Gosei 与大阪大学合作，成功研制出了 6 英寸的氮化镓 GaN 衬底。
GaN 功率器件广泛用于工业机械、汽车、家用电子等领域，随着全球碳中和的目标，GaN 功率器件作为减少电力损失的一种手段而被寄予厚望，因此需要更高质量和更大直径的 GaN 衬底，以实现更高的生产效率（降低成本）。
在日本环境省牵头的一个项目中，丰田合成和大阪大学采用了一种在钠和镓的液态金属中生长 GaN 晶体的方法，来制造高质量的 GaN 衬底，成功制造出了 6 英寸的衬底，为目前世界最大的衬底。
丰田合成接下来将对 6 英寸衬底的批量生产进行质量评估，继续提高质量，并继续增加直径尺寸，有望超过 6 英寸。
GaN如何改变半导体的未来？
GaN正在帮助半导体行业摆脱对硅的依赖。
全球半导体短缺正在推迟从冰箱和微波炉到游戏机和智能手机的所有产品的生产。专家表示，该行业可能需要几个月的时间才能恢复，但实际上短缺正在永远改变消费电子产品。
该行业几十年来一直依赖硅，但芯片短缺正在帮助电子设备更环保、更高效、更小。越来越多的公司开始转向氮化镓 (GaN)，因为它比硅芯片更容易、更快地生产，还有其他好处。
TechRadar Pro采访了Navitas半导体公司的企业营销和投资者关系副总裁斯蒂芬·奥利弗，以了解短缺如何影响消费电子产品，并将行业从硅转移。Navitas为Anker、Aukey、Belkin、Dell、Hyper、联想、OPPO、RAVPower、Verizon等数十家公司提供GaN芯片。
Navitas 就 GaN 电源市场的一些行业趋势回答了这些问题：
什么是 GaN，为什么它如此重要？
由于带隙决定了材料可以承受的电场，氮化镓的更宽带隙使得能够开发具有非常短或窄耗尽区的半导体，从而产生具有非常高载流子密度的器件结构。通过更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻和电容，使速度提高了100倍。
最重要的是，GaN 技术可以以比传统硅小得多的尺寸处理更大的电场，同时提供显着更快的开关速度。此外，GaN 技术可以在比硅基技术更高的最高温度下运行。
GaN 的重要性与日俱增，因为它能够在广泛的应用中提供显着改进的性能，同时与传统的硅技术相比，它减少了提供该性能所需的能量和物理空间。在硅作为功率转换平台已达到其物理极限的某些应用中，氮化镓技术变得至关重要，而在其他应用中，效率、开关速度、尺寸和高温操作的优势结合在一起，使GaN越来越有吸引力。
随着全球能源需求的增加，转向GaN技术将有助于满足需求，同时将碳排放量保持在最低水平。事实上，氮化镓的设计和集成已被证明可以交付下一代功率半导体，其碳足迹比旧的、速度较慢的硅芯片低十倍。为了进一步支持氮化镓的情况，据估计，全球Si-to-GaN数据中心的升级将减少30-40%的能源损失，这意味着到2030年将节省超过100万亿瓦特的能源和1.25亿吨的二氧化碳排放。
镓是如何制成的？
镓的价格是多少？
GaN在电子产品中的用途是什么？
在手机和笔记本电脑中，GSM 和 Wi-Fi 信号使用 GaN RF 设备进行传输和接收，而为这些设备供电的充电器和适配器越来越多地采用 GaN。事实上，目前最大的功率 GaN 市场是移动快速充电，其中 GaN 功率 IC 可以使适配器的充电速度提高三倍，而适配器的尺寸和重量只有基于硅的慢速设计的一半。更重要的是，对于单输出充电器，GaN 零售推出价格约为之前同类最佳硅充电器的一半，而多输出充电器则低三倍。
氮化镓功率半导体也被部署在数据中心服务器上。随着数据中心流量的加速，硅高效处理电力的能力遇到了“物理材料”的障碍。因此，老式、缓慢的硅芯片被高速的氮化镓集成电路所取代。
数据中心硬件的整合、新的 HVDC 架构方法以及经过验证的量产、高度集成的 GaN 功率 IC 的可靠性能够显着提高效率。因此，部署 GaN 代表了数据中心行业朝着碳“净零”目标迈出的又一步。
在汽车行业，氮化镓正成为混合动力和电动汽车中功率转换和电池充电的首选技术。基于 GaN 的电源产品也越来越多地出现在太阳能装置使用的逆变器以及电机驱动和其他工业应用的电源转换方案中。
为什么 GaN 不受当前芯片短缺的影响？
另一方面，GaN 的交货时间非常快，只需 12 周，备用产能迅速增加，而某些硅器件需要 52 周以上。GaN 的生产效率比硅更高，制造工艺更灵活，因此 GaN 不会像硅那样受到影响。
GaN会成为硅的替代品吗？
硅 (Si) 的带隙为 1.1 eV，而 GaN 的带隙为 3.4 eV。由于 WBG 材料允许高电场，耗尽区可以非常短或窄，因此器件结构可以具有更高的载流子密度并且可以非常密集地封装。
例如，一个典型的 650 V 横向 GaN 晶体管可以支持超过 800 V 并且具有 10-20 µm 或大约 40-80 V/µm 的漏极漂移区。这大大高于硅的理论极限，约为 20 V/µm。然而，它仍然远远低于约 300 V/µm 的带隙限制，为未来横向 GaN 器件的世代改进留下了很大的空间。
在器件级方面，从归一化导通电阻 (RDS(ON)) 和栅极电荷 (QG) 的乘积中得出的品质因数可能比硅好 5 倍到 20 倍，具体取决于实现方式。通过促进更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻和电容，并且开关速度快了一百倍。
为了充分利用 GaN 功率 IC 的能力，电路的其余部分也必须能够在更高的频率下有效运行。近年来，控制 IC 被引入以将开关频率从 65-100 kHz 提高到 1 MHz+，并且正在开发新的控制器。微控制器和数字信号处理器 (DSP) 也可用于实现当今的软开关电路拓扑，同时针对 1-2 MHz 范围优化的各种磁性材料现已上市。
GaN功率ic在半桥拓扑(如有源箝位反激式、图腾柱PFC和LLC)中结合了频率、密度和效率优势。通过从硬开关拓扑到软开关拓扑的改变，一次场效应晶体管的一般损耗方程可以最小化，从而在更高的频率下提高效率。
GaN 使用 250-350 nm CMOS 设备进行加工，用于功率处理的特征尺寸相对较大。CPU、GPU 使用约 1V 的硅，并使用低于 10 纳米的工艺设备来获得非常精细的特征尺寸以进行数字处理。因此，最佳的方法是使用 GaN 进行“功率转换”，使用硅进行“数据处理”。
GaN 的未来会怎样？
是什么推动了充电容量的快速增长？
此外，全球需要更环保的能源。与硅系统相比，使用 GaN 功率 IC 的高效、高速应用更小、更轻、使用更少的材料和更少的能源。每个出厂的清洁、绿色 GaN 功率 IC 可节省 4 kg 二氧化碳。GaN 可以节省高达 2.6 吨/年的二氧化碳排放量——相当于 650 座燃煤发电站的排放量