第三代宽禁带半导体材料氮化镓耐热性好 ， 因具有高电子迁移率 ， 可提高晶体管的开关转换速度 ， 适用于高频率、大功率电路中 ， 氮化镓的高频特性可带来整体功率密度提升 ， 目前氮化镓功率芯片已进入消费电子快充市场 。 在全球“芯荒”之下 ， 氮化镓芯片是否受到影响？氮化镓芯片的机遇在哪？设计、量产等方面还存在哪些挑战？
氮化镓功率芯片企业纳微半导体（Navitas Semiconductor ， 纳斯达克交易代码NVTS）副总裁、中国区总经理查莹杰是纳微中国的第一号员工 。 他在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）专访时表示 ， 从性能、成本上看 ， 氮化镓芯片需要慢慢在功率半导体领域替代硅芯片 。
氮化镓功率芯片的市场机遇之一是消费类电子 。 手机充电功率在增长 ， 适配器和充电器功率从5瓦、10瓦变成65瓦、125瓦时便携性越来越差 ， 而采用氮化镓芯片的充电器体积小 ， 充电速度快 。 此外 ， 纳微半导体也在研发加速数据中心和车载充电器等领域的氮化镓应用 。
当前全球“缺芯” ， 半导体产能紧张持续 。 氮化镓技术是否受到“芯片荒”的影响？查莹杰表示 ， 半导体原材料都在涨价 ， 但“氮化镓材料没有做相应调整 ， 成本没有太大的变化” 。 纳微半导体使用的台积电6英寸厂工艺产能丰足 ， 不占用目前紧缺的8英寸产能 。 从迭代速度角度看 ， 未来纳微半导体氮化镓芯片的迭代周期有望从两年变成9个月 ， 成本可大约减少20%-30% 。
从氮化镓芯片的工艺成熟度来说 ， 台积电良率超90% ， 氮化镓功率半导体已经是“非常成熟的器件”了 。 但查莹杰表示 ， 对于供应链成本下降、产量提升还需要一个过程 。

文章图片

查莹杰
纳微半导体成立于2014年 ， 总部位于爱尔兰 ， 其GaNFast功率芯片集成了氮化镓功率器件以及氮化镓驱动、保护和控制器件 ， 体积小、充电快、节能效果强 。 GaNFast功率芯片被应用在130多种型号的移动充电器中 。 截至2021年10月 ， 纳微半导体已交付3000万多颗GaNFast功率芯片 。 在65W功率段 ， GaNFast功率芯片频频进入OPPO、小米、努比亚、联想、坚果、贝尔金等品牌厂商供应链 。
今年10月 ， 纳微半导体敲响纳斯达克开市钟 。 “中国市场变得越来越重要 ， 我们的营收超过70%来自中国 。 ”纳微半导体已在上海建立纳微中国芯片研发中心 ， 设立深圳、杭州分公司 。
高电子迁移率的高频“赢家”
第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌(ZnO)、金刚石等为代表 ， 具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等优点 ， 是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯” ， 在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有应用前景 。
氮化镓是拥有稳定六边形晶体结构的宽禁带半导体材料 。 禁带是指电子从原子核轨道上脱离所需要的能量 ， 氮化镓的禁带宽度为3.4eV ， 是硅的3倍多 。 禁带宽度决定了一种材料所能承受的电场 。
氮化镓材料耐热性好 ， 因具有高电子迁移率而成为高频的“赢家” ， 其电子迁移率高于碳化硅 ， 可提高晶体管的开关转换速度 ， 适用于高频率、大功率电路中 。 查莹杰表示 ， 氮化镓的高频特性可带来整体功率密度提升 。
“同等性能前提下用氮化镓做的芯片大小是传统硅芯片的1/5-1/4 。 ”查莹杰介绍 ， 因此单一晶圆上能产出更多的氮化镓DIE（晶圆切割后单个芯片的晶圆） 。 由于使用硅衬底 ， 氮化镓芯片成本可得到有效控制 。 氮化镓作为新一代半导体技术 ， 其运行速度比传统硅芯片快20倍 ， 并且在尺寸和重量减半的情况下可将功率和充电速度提高3倍 。