GaN如何改變半導(dǎo)體的未來？

全球半導(dǎo)體短缺正在推遲從冰箱和微波爐到游戲機(jī)和智能手機(jī)的所有產(chǎn)品的生產(chǎn)。專家表示，該行業(yè)可能需要幾個(gè)月的時(shí)間才能恢復(fù)，但實(shí)際上短缺正在永遠(yuǎn)改變消費(fèi)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?yàn)樗裙栊酒菀?、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(fèi)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？

氮化鎵(GaN)由原子序數(shù)31的鎵和原子序數(shù)7的氮結(jié)合而成，是一種具有堅(jiān)硬的六角形晶體結(jié)構(gòu)的寬帶隙半導(dǎo)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(shí)，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(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(shí)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(shí)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(yùn)行。

GaN 的重要性與日俱增，因?yàn)樗軌蛟趶V泛的應(yīng)用中提供顯著改進(jìn)的性能，同時(shí)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(tái)已達(dá)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(shí)將碳排放量保持在最低水平。事實(shí)上，氮化鎵的設(shè)計(jì)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(jìn)一步支持氮化鎵的情況，據(jù)估計(jì)，全球Si-to-GaN數(shù)據(jù)中心的升級(jí)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？

鎵在自然界中不以單質(zhì)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(chǎn)品，因此提取和精煉的碳足跡非常低。

鎵的價(jià)格是多少？

鎵的年產(chǎn)量超過300噸，估計(jì)全世界的儲(chǔ)量超過100萬噸。由于它是一種加工副產(chǎn)品，成本相對(duì)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(chǎn)品中的用途是什么？

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

在手機(jī)和筆記本電腦中，GSM 和 Wi-Fi 信號(hào)使用 GaN RF 設(shè)備進(jìn)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(shí)上，目前最大的功率 GaN 市場是移動(dòng)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(jì)的一半。更重要的是，對(duì)于單輸出充電器，GaN 零售推出價(jià)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(yàn)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(biāo)邁出的又一步。

在汽車行業(yè)，氮化鎵正成為混合動(dòng)力和電動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dāng)前芯片短缺的影響？

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

另一方面，GaN 的交貨時(shí)間非常快，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(huì)像硅那樣受到影響。

GaN會(huì)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(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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于約 300 V/μm 的帶隙限制，為未來橫向 GaN 器件的世代改進(jìn)留下了很大的空間。

在器件級(jí)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(shí)現(xiàn)方式。通過促進(jìn)更小的晶體管和更短的電流路徑，實(shí)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(yùn)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(hào)處理器 (DSP) 也可用于實(shí)現(xiàn)當(dāng)今的軟開關(guān)電路拓?fù)洌瑫r(shí)針對(duì) 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?fù)?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?fù)涞杰涢_關(guān)拓?fù)涞母淖儯淮螆鲂?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(jìn)行加工，用于功率處理的特征尺寸相對(duì)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(xì)的特征尺寸以進(jìn)行數(shù)字處理。因此，最佳的方法是使用 GaN 進(jìn)行“功率轉(zhuǎn)換”，使用硅進(jìn)行“數(shù)據(jù)處理”。

GaN 的未來會(huì)怎樣？

憑借創(chuàng)紀(jì)錄的性能，氮化鎵功率 IC 成為電力電子領(lǐng)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(jìn)行的研究工作將其降低或提高。

是什么推動(dòng)了充電容量的快速增長？ 

對(duì)于移動(dòng)市場，在更大屏幕和更多特性和功能的推動(dòng)下，電池尺寸 (mAhr) 在三年內(nèi)增加了 10 倍，而用戶希望在最短的時(shí)間內(nèi)為設(shè)備充電。新型氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體技術(shù)是充電容量快速提升的基礎(chǔ)，因?yàn)榕c傳統(tǒng)硅技術(shù)相比，它們可以顯著提高各種應(yīng)用的性能，同時(shí)減少提供該性能所需的能量和物理空間。GaN IC 的運(yùn)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(shí)現(xiàn)高達(dá) 3 倍的功率提升或 3 倍的充電速度。 

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(gè)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(dá) 2.6 噸/年的二氧化碳排放量——相當(dāng)于 650 座燃煤發(fā)電站的排放量  

有人認(rèn)為快速充電可能會(huì)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(xié)議是充電器和被驅(qū)動(dòng)設(shè)備（無論是手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦還是耳塞式耳機(jī)）之間的通信和保護(hù)回路。例如，智能手機(jī)會(huì)告知充電器要提供多少功率和電壓，這在電池技術(shù)的設(shè)計(jì)限制范圍內(nèi)是安全的。同時(shí)，石墨烯鋰離子等新型電池技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更快的充電速度、低溫運(yùn)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(shí)保持電池處于低溫狀態(tài)。充電協(xié)議還可以在電池電量耗盡/電量不足時(shí)啟用高電流（充電速率），然后在電池接近充滿電時(shí)降低電流。

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？ 

當(dāng)然，GaN 充電器已經(jīng)進(jìn)入筆記本電腦充電器，例如 LG gram、戴爾 Latitude、聯(lián)想和 Yoga 筆記本電腦。例如，新的戴爾 60W 充電器是傳統(tǒng)硅基充電器的“內(nèi)置”可選升級(jí)。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(yīng)注意，GaN 的“綠色”優(yōu)勢使 OEM 能夠?qū)崿F(xiàn)其“凈零”目標(biāo)——例如，基于 GaN 的 65W 適配器的二氧化碳排放量比傳統(tǒng)硅低 30%。 

更快甚至準(zhǔn)瞬時(shí)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(xié)議具有擴(kuò)展的功率范圍，現(xiàn)在高達(dá) 240W，可實(shí)現(xiàn)互操作性，加快市場接受度。OPPO已經(jīng)發(fā)布了一個(gè)功率高達(dá) 240W 的平臺(tái)，因此“即時(shí)充電”智能手機(jī)可能即將問世。

會(huì)在某個(gè)時(shí)候把它推廣到汽車上嗎？或其他需要快速充電的產(chǎn)品？ 

毫無疑問，同樣快 3 倍的充電速度可以應(yīng)用于任何基于電池的應(yīng)用——減少續(xù)航里程和充電時(shí)間焦慮。與傳統(tǒng)的硅解決方案相比，基于 GaN 的車載充電器 (OBC) 估計(jì)充電速度快 3 倍，節(jié)能高達(dá) 70%。據(jù)估計(jì)，GaN OBC、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器將擴(kuò)大電動(dòng)汽車的續(xù)航里程或?qū)㈦姵爻杀窘档?5%，并將全球電動(dòng)汽車的采用速度加快 3 年。將電動(dòng)汽車升級(jí)到 GaN 可以在三年內(nèi)推動(dòng)全球電動(dòng)汽車的采用，據(jù)估計(jì)，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(xié)定》的目標(biāo)。這對(duì)我們所有人來說都是一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

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