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。
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。
“新技术要在新市场推广，很重要的一点是市场需要这样的东西。”查莹杰表示，氮化镓功率芯片的市场机遇之一是消费类电子。“5G功耗很大，导致电池要变大，电池变大导致充电功率变大。”
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。今年2月，小米新品发布会上推出明星产品65W GaN充电器，就引发了市场对氮化镓的关注。
与此同时，USB标准化组织推广Type-C接口和USB功率传输协议（USB Power Delivery，USB PD）后导致配件市场爆发，一个标准适配器，手机能快充，笔记本电脑也能用，需求就变大了。“Type-C接口的需求越来越大，Anker、亚马逊、倍思、绿联这些配件厂商的生意井喷式发展。”
查莹杰表示，这些都在为氮化镓快充市场做铺垫。纳微半导体预计，两年内氮化镓充电器的成本将与硅充电器打平，3年后氮化镓充电器制造成本有望比硅充电器更低。
中信证券研报显示，目前市面上已有多家厂商布局GaN快充，预计随着用户对便携性需求提高，未来GaN快充市场规模将快速上升，预计2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元，2025年将快速上升至638亿元，同时加速GaN芯片在其他新兴领域对硅基产品的替代。
除消费电子市场，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。
“适配器和数据中心是纳微明年很重要的领域，所有数据中心服务器的头部厂商都开始用纳微的产品，汽车和太阳能紧随其后，我们目前并没有单一依赖于某一个客户或某一个领域。”查莹杰表示，工业、汽车、互联网数据中心（IDC）等工业领域的氮化镓芯片应用将是纳微半导体未来的主旋律，前两年已经在数据中心高压直流电源（HVDC）产品、服务器标准电源等领域开展合作。
“到2023年，欧洲所有数据中心的能效要求达到96%的效率。现在中国大部分的服务器数据中心的电源还在92%或94%的效率。”查莹杰表示，看起来只是2-4个百分点的提升，但达到96%的效率意味着功耗要降低一半，这要求有巨大的技术突破。“氮化镓的使用可以提升服务器电源的效率，这也是市场机遇。”
“芯片荒”下的氮化镓技术
当前全球“缺芯”，半导体产能紧张持续。中信建投研报显示，晶圆代工产能不足，代工涨价预计传导至IC设计厂商。当前半导体的需求虽然出现一定的结构性分化，但整体仍处于高景气度以及供需紧张的状态，今年未见产能紧张缓解或松动迹象，预计2022年整体产能仍然紧张且涨价持续。
氮化镓技术是否受到“芯片荒”的影响？查莹杰表示，芯片荒、芯片涨价对整个供应链都一视同仁。但从氮化镓供应链角度看，氮化镓芯片目前占硅芯片市场的比重是0.5%，由于单一晶圆上能产出更多的氮化镓DIE，相比硅芯片“产能可以增加5倍”。
此外，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”。查莹杰表示，纳微半导体使用的是台积电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%。同时随着客户的正向系统反馈，“我们把越来越多的电路集成，这样整个外围电路越来越简单，从而降低了系统成本。”
“芯片行业的波动是持续的，明年可能还是缺货。”查莹杰说，对于纳微半导体来说，策略是不断减小氮化镓DIE尺寸，“极限值还远远没有到。”此外就是走集成路线，以前“很多电路是用硅来实现的，现在可以用氮化镓实现”。
尽管如此，氮化镓芯片在设计、量产等方面还存在哪些挑战？查莹杰对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，在高频应用体系中，硅从几赫兹发展到65kHz花了三四十年时间，这个漫长的过程使得硅芯片的配套生产体系和应用体系得到完善。而氮化镓作为高频器件，要发挥它的优势就要提高频率，“若是配套厂商和生产工艺跟不上，就要花费大量时间解决问题，这也是氮化镓在高频使用时碰到的难点。”
“快充的进展很快，到今天大家觉得理所当然，其实我们也有很多辛酸史。从2018年开始我们就跟很多客户合作，一开始大家都很高兴又做了一个好东西，但一量产，或多或少会有问题，我们克服了很多技术障碍，包括对芯片的改进等等。”
从消费电子快充走向数据中心、汽车业务，查莹杰表示，目前还面临封装、散热的难题。“但我们坚持一个原则，就是确保器件的安全性，把检测和自我保护功能做在里面，可以做到第一时间响应。”
营收超七成来自中国
成立7年后，纳微半导体敲响纳斯达克开市钟。今年10月，纳微半导体正式开始在纳斯达克全球市场交易，总融资额超3.2亿美元。11月，纳微半导体宣布推出新一代采用GaNSense技术的智能GaNFast氮化镓功率芯片。
“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。查莹杰表示，深圳是电子产品应用端集聚之地；在杭州，浙大的电力电子学科国内数一数二，纳微挖掘了一批数据中心服务器应用人才。
而上海是集成电路创新的高地，也是除洛杉矶以外纳微的第二个芯片设计中心。“我们把重头的全球车BU（业务单元）总部设在上海，主要还是跟人才、产业布局相关。”
“芯片发展从2000年到现在已经20多年了，以长三角为基础出现了很多IC设计、封装人才，基本上都在上海、苏州地区，这里原来是外资企业的研发总部，包括封装的工厂都设在这个地方，是培养中国半导体的摇篮。”
中国半导体产业投资火热，查莹杰提到，市场对半导体设计人才的需求量大幅度提升。“电子科大、复旦、清华、西安电子科大等等这些原本以微电子为基础的高校受到了极大的追捧。”
查莹杰今年也发现，薪资倒挂在行业内变得普遍，“这是产业发展的必然趋势，跟2000年互联网蓬勃发展一样，很多高校对半导体的投入越来越多。”
就氮化镓领域的人才现状而言，查莹杰直言“短期内人才紧缺现象很难解决”，人才的培养也不是一蹴而就的。“氮化镓部分目前在国内来说很有挑战，以前涉及到氮化镓的学校并不多。从纳微的角度来说，我们主要是以海外回来的学生为主，以及在洛杉矶工作的员工。”但随着人才回流、政策及产业资金支持，他认为国内氮化镓的发展将远超硅芯片原先的发展速度。
对于“弯道超车”这一说，查莹杰认为，所谓的“弯道超车”可能仅仅是生产或设计的某一个环节，而氮化镓是个非常庞大的体系，材料、生产、设计、应用，每个领域都非常复杂，“氮化镓外延长晶是非常复杂的工艺，氮化镓器件结构的设计也是。”不同的运营团队，生产出的芯片良率也完全不一样。
“我们还是鼓励脚踏实地，慢慢推进技术的完善和成熟。”查莹杰表示，如今资本和市场的包容性给了初创公司很多机会，“一个产品的完善很重要的一点就是要有反馈，产品量产后客户给到你一个正向的反馈，然后进一步提升相应的品质和促进下一代产品演进，这给供应链、厂商带来很大包容。”
来源：澎湃新闻
