GaN如何改變半導(dǎo)體的未來(lái)？

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(lái)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(lái)越多的公司開始轉(zhuǎn)向氮化鎵 (GaN)，因?yàn)樗裙栊酒菀住⒏斓厣a(chǎn)，還有其他好處。

TechRadar Pro采訪了Navitas半導(dǎo)體公司的企業(yè)營(yíng)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(chǎng)的一些行業(yè)趨勢(shì)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(lái)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(chǎng)，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(guò)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(chǎng)，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(shì)結(jié)合在一起，使GaN越來(lái)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(guò)100萬(wàn)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(guò)300噸，估計(jì)全世界的儲(chǔ)量超過(guò)100萬(wàn)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(wàn)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(zhǎng)期以來(lái)一直用于生產(chǎn) LED 和射頻元件，但現(xiàn)在正逐漸被越來(lái)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(lái)越多地采用 GaN。事實(shí)上，目前最大的功率 GaN 市場(chǎng)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(guò)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(lái)越多地出現(xiàn)在太陽(yáng)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(lái)賺錢，需要較長(zhǎng)的交貨時(shí)間和高資本支出來(lái)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?？?，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(guò)固體所需的能量。這反過(guò)來(lái)又決定了固體能夠承受的電場(chǎng)。

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(chǎng)，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(guò) 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(lái)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(guò)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(lái)，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)?，同時(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(shì)。通過(guò)從硬開關(guān)拓?fù)涞杰涢_關(guān)拓?fù)涞母淖?，一次?chǎng)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(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(lái)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(lái)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(zhǎng)？ 

對(duì)于移動(dòng)市場(chǎng)，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(shuō)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(wú)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(zhǎng)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?jī)H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(shì)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(chǎng)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(wú)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(lái)說(shuō)都是一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

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