第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵耐熱性好，因具有高電子遷移率，可提高晶體管的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度，適用于高頻率、大功率電路中，氮化鎵的高頻特性可帶來整體功率密度提升，目前氮化鎵功率芯片已進入消費電子快充市場。在全球“芯荒”之下，氮化鎵芯片是否受到影響？氮化鎵芯片的機遇在哪？設(shè)計、量產(chǎn)等方面還存在哪些挑戰(zhàn)？

氮化鎵功率芯片企業(yè)納微半導(dǎo)體（Navitas Semiconductor，納斯達克交易代碼NVTS）副總裁、中國區(qū)總經(jīng)理查瑩杰是納微中國的第一號員工。他在接受澎湃新聞（www.school126.cn）專訪時表示，從性能、成本上看，氮化鎵芯片需要慢慢在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域替代硅芯片。

氮化鎵功率芯片的市場機遇之一是消費類電子。手機充電功率在增長，適配器和充電器功率從5瓦、10瓦變成65瓦、125瓦時便攜性越來越差，而采用氮化鎵芯片的充電器體積小，充電速度快。此外，納微半導(dǎo)體也在研發(fā)加速數(shù)據(jù)中心和車載充電器等領(lǐng)域的氮化鎵應(yīng)用。

當(dāng)前全球“缺芯”，半導(dǎo)體產(chǎn)能緊張持續(xù)。氮化鎵技術(shù)是否受到“芯片荒”的影響？查瑩杰表示，半導(dǎo)體原材料都在漲價，但“氮化鎵材料沒有做相應(yīng)調(diào)整，成本沒有太大的變化”。納微半導(dǎo)體使用的臺積電6英寸廠工藝產(chǎn)能豐足，不占用目前緊缺的8英寸產(chǎn)能。從迭代速度角度看，未來納微半導(dǎo)體氮化鎵芯片的迭代周期有望從兩年變成9個月，成本可大約減少20%-30%。

從氮化鎵芯片的工藝成熟度來說，臺積電良率超90%，氮化鎵功率半導(dǎo)體已經(jīng)是“非常成熟的器件”了。但查瑩杰表示，對于供應(yīng)鏈成本下降、產(chǎn)量提升還需要一個過程。

查瑩杰

納微半導(dǎo)體成立于2014年，總部位于愛爾蘭，其GaNFast功率芯片集成了氮化鎵功率器件以及氮化鎵驅(qū)動、保護和控制器件，體積小、充電快、節(jié)能效果強。GaNFast功率芯片被應(yīng)用在130多種型號的移動充電器中。截至2021年10月，納微半導(dǎo)體已交付3000萬多顆GaNFast功率芯片。在65W功率段，GaNFast功率芯片頻頻進入OPPO、小米、努比亞、聯(lián)想、堅果、貝爾金等品牌廠商供應(yīng)鏈。

今年10月，納微半導(dǎo)體敲響納斯達克開市鐘。“中國市場變得越來越重要，我們的營收超過70%來自中國?！奔{微半導(dǎo)體已在上海建立納微中國芯片研發(fā)中心，設(shè)立深圳、杭州分公司。

高電子遷移率的高頻“贏家”

第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅(ZnO)、金剛石等為代表，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強等優(yōu)點，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

氮化鎵是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料。禁帶是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，氮化鎵的禁帶寬度為3.4eV，是硅的3倍多。禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場。

氮化鎵材料耐熱性好，因具有高電子遷移率而成為高頻的“贏家”，其電子遷移率高于碳化硅，可提高晶體管的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度，適用于高頻率、大功率電路中。查瑩杰表示，氮化鎵的高頻特性可帶來整體功率密度提升。

“同等性能前提下用氮化鎵做的芯片大小是傳統(tǒng)硅芯片的1/5-1/4。”查瑩杰介紹，因此單一晶圓上能產(chǎn)出更多的氮化鎵DIE（晶圓切割后單個芯片的晶圓）。由于使用硅襯底，氮化鎵芯片成本可得到有效控制。氮化鎵作為新一代半導(dǎo)體技術(shù)，其運行速度比傳統(tǒng)硅芯片快20倍，并且在尺寸和重量減半的情況下可將功率和充電速度提高3倍。

“新技術(shù)要在新市場推廣，很重要的一點是市場需要這樣的東西?！辈楝摻鼙硎?，氮化鎵功率芯片的市場機遇之一是消費類電子?！?G功耗很大，導(dǎo)致電池要變大，電池變大導(dǎo)致充電功率變大。”

手機充電功率在增長，適配器和充電器功率從5瓦、10瓦變成65瓦、125瓦時便攜性越來越差。而采用氮化鎵芯片的充電器體積小，充電速度快。今年2月，小米新品發(fā)布會上推出明星產(chǎn)品65W GaN充電器，就引發(fā)了市場對氮化鎵的關(guān)注。

與此同時，USB標準化組織推廣Type-C接口和USB功率傳輸協(xié)議（USB Power Delivery，USB PD）后導(dǎo)致配件市場爆發(fā)，一個標準適配器，手機能快充，筆記本電腦也能用，需求就變大了?！癟ype-C接口的需求越來越大，Anker、亞馬遜、倍思、綠聯(lián)這些配件廠商的生意井噴式發(fā)展。”

查瑩杰表示，這些都在為氮化鎵快充市場做鋪墊。納微半導(dǎo)體預(yù)計，兩年內(nèi)氮化鎵充電器的成本將與硅充電器打平，3年后氮化鎵充電器制造成本有望比硅充電器更低。

中信證券研報顯示，目前市面上已有多家廠商布局GaN快充，預(yù)計隨著用戶對便攜性需求提高，未來GaN快充市場規(guī)模將快速上升，預(yù)計2020年全球GaN充電器市場規(guī)模為23億元，2025年將快速上升至638億元，同時加速GaN芯片在其他新興領(lǐng)域?qū)杌a(chǎn)品的替代。

除消費電子市場，納微半導(dǎo)體也在研發(fā)加速數(shù)據(jù)中心和車載充電器等領(lǐng)域的氮化鎵應(yīng)用。

“適配器和數(shù)據(jù)中心是納微明年很重要的領(lǐng)域，所有數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的頭部廠商都開始用納微的產(chǎn)品，汽車和太陽能緊隨其后，我們目前并沒有單一依賴于某一個客戶或某一個領(lǐng)域?！辈楝摻鼙硎?，工業(yè)、汽車、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）等工業(yè)領(lǐng)域的氮化鎵芯片應(yīng)用將是納微半導(dǎo)體未來的主旋律，前兩年已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心高壓直流電源（HVDC）產(chǎn)品、服務(wù)器標準電源等領(lǐng)域開展合作。

“到2023年，歐洲所有數(shù)據(jù)中心的能效要求達到96%的效率?，F(xiàn)在中國大部分的服務(wù)器數(shù)據(jù)中心的電源還在92%或94%的效率?！辈楝摻鼙硎?，看起來只是2-4個百分點的提升，但達到96%的效率意味著功耗要降低一半，這要求有巨大的技術(shù)突破?！暗壍氖褂每梢蕴嵘?wù)器電源的效率，這也是市場機遇?！?/p>

“芯片荒”下的氮化鎵技術(shù)

當(dāng)前全球“缺芯”，半導(dǎo)體產(chǎn)能緊張持續(xù)。中信建投研報顯示，晶圓代工產(chǎn)能不足，代工漲價預(yù)計傳導(dǎo)至IC設(shè)計廠商。當(dāng)前半導(dǎo)體的需求雖然出現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)性分化，但整體仍處于高景氣度以及供需緊張的狀態(tài)，今年未見產(chǎn)能緊張緩解或松動跡象，預(yù)計2022年整體產(chǎn)能仍然緊張且漲價持續(xù)。

氮化鎵技術(shù)是否受到“芯片荒”的影響？查瑩杰表示，芯片荒、芯片漲價對整個供應(yīng)鏈都一視同仁。但從氮化鎵供應(yīng)鏈角度看，氮化鎵芯片目前占硅芯片市場的比重是0.5%，由于單一晶圓上能產(chǎn)出更多的氮化鎵DIE，相比硅芯片“產(chǎn)能可以增加5倍”。

此外，半導(dǎo)體原材料都在漲價，但“氮化鎵材料沒有做相應(yīng)調(diào)整，成本沒有太大的變化”。查瑩杰表示，納微半導(dǎo)體使用的是臺積電6英寸廠工藝，產(chǎn)能豐足，不占用目前緊缺的8英寸產(chǎn)能。

從迭代速度角度看，未來納微半導(dǎo)體氮化鎵芯片的迭代周期有望從兩年變成9個月，成本可大約減少20%-30%。同時隨著客戶的正向系統(tǒng)反饋，“我們把越來越多的電路集成，這樣整個外圍電路越來越簡單，從而降低了系統(tǒng)成本?！?/p>

“芯片行業(yè)的波動是持續(xù)的，明年可能還是缺貨?！辈楝摻苷f，對于納微半導(dǎo)體來說，策略是不斷減小氮化鎵DIE尺寸，“極限值還遠遠沒有到。”此外就是走集成路線，以前“很多電路是用硅來實現(xiàn)的，現(xiàn)在可以用氮化鎵實現(xiàn)”。

盡管如此，氮化鎵芯片在設(shè)計、量產(chǎn)等方面還存在哪些挑戰(zhàn)？查瑩杰對澎湃新聞（www.school126.cn）表示，在高頻應(yīng)用體系中，硅從幾赫茲發(fā)展到65kHz花了三四十年時間，這個漫長的過程使得硅芯片的配套生產(chǎn)體系和應(yīng)用體系得到完善。而氮化鎵作為高頻器件，要發(fā)揮它的優(yōu)勢就要提高頻率，“若是配套廠商和生產(chǎn)工藝跟不上，就要花費大量時間解決問題，這也是氮化鎵在高頻使用時碰到的難點?！?/p>

從氮化鎵芯片的工藝成熟度來說，臺積電良率超90%，氮化鎵功率半導(dǎo)體已經(jīng)是“非常成熟的器件”了。但查瑩杰表示，對于供應(yīng)鏈成本下降、產(chǎn)量提升還需要一個過程。

“快充的進展很快，到今天大家覺得理所當(dāng)然，其實我們也有很多辛酸史。從2018年開始我們就跟很多客戶合作，一開始大家都很高興又做了一個好東西，但一量產(chǎn)，或多或少會有問題，我們克服了很多技術(shù)障礙，包括對芯片的改進等等?！?/p>

從消費電子快充走向數(shù)據(jù)中心、汽車業(yè)務(wù)，查瑩杰表示，目前還面臨封裝、散熱的難題?！暗覀儓猿忠粋€原則，就是確保器件的安全性，把檢測和自我保護功能做在里面，可以做到第一時間響應(yīng)?！?/p>

營收超七成來自中國

成立7年后，納微半導(dǎo)體敲響納斯達克開市鐘。今年10月，納微半導(dǎo)體正式開始在納斯達克全球市場交易，總?cè)谫Y額超3.2億美元。11月，納微半導(dǎo)體宣布推出新一代采用GaNSense技術(shù)的智能GaNFast氮化鎵功率芯片。

“中國市場變得越來越重要，我們的營收超過70%來自中國。”納微半導(dǎo)體已在上海建立納微中國芯片研發(fā)中心，設(shè)立深圳、杭州分公司。查瑩杰表示，深圳是電子產(chǎn)品應(yīng)用端集聚之地；在杭州，浙大的電力電子學(xué)科國內(nèi)數(shù)一數(shù)二，納微挖掘了一批數(shù)據(jù)中心服務(wù)器應(yīng)用人才。

而上海是集成電路創(chuàng)新的高地，也是除洛杉磯以外納微的第二個芯片設(shè)計中心。“我們把重頭的全球車BU（業(yè)務(wù)單元）總部設(shè)在上海，主要還是跟人才、產(chǎn)業(yè)布局相關(guān)。”

“芯片發(fā)展從2000年到現(xiàn)在已經(jīng)20多年了，以長三角為基礎(chǔ)出現(xiàn)了很多IC設(shè)計、封裝人才，基本上都在上海、蘇州地區(qū)，這里原來是外資企業(yè)的研發(fā)總部，包括封裝的工廠都設(shè)在這個地方，是培養(yǎng)中國半導(dǎo)體的搖籃。”

中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資火熱，查瑩杰提到，市場對半導(dǎo)體設(shè)計人才的需求量大幅度提升?！半娮涌拼?、復(fù)旦、清華、西安電子科大等等這些原本以微電子為基礎(chǔ)的高校受到了極大的追捧?！?/p>

查瑩杰今年也發(fā)現(xiàn)，薪資倒掛在行業(yè)內(nèi)變得普遍，“這是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，跟2000年互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展一樣，很多高校對半導(dǎo)體的投入越來越多。”

就氮化鎵領(lǐng)域的人才現(xiàn)狀而言，查瑩杰直言“短期內(nèi)人才緊缺現(xiàn)象很難解決”，人才的培養(yǎng)也不是一蹴而就的?！暗壊糠帜壳霸趪鴥?nèi)來說很有挑戰(zhàn)，以前涉及到氮化鎵的學(xué)校并不多。從納微的角度來說，我們主要是以海外回來的學(xué)生為主，以及在洛杉磯工作的員工?！钡S著人才回流、政策及產(chǎn)業(yè)資金支持，他認為國內(nèi)氮化鎵的發(fā)展將遠超硅芯片原先的發(fā)展速度。

對于“彎道超車”這一說，查瑩杰認為，所謂的“彎道超車”可能僅僅是生產(chǎn)或設(shè)計的某一個環(huán)節(jié)，而氮化鎵是個非常龐大的體系，材料、生產(chǎn)、設(shè)計、應(yīng)用，每個領(lǐng)域都非常復(fù)雜，“氮化鎵外延長晶是非常復(fù)雜的工藝，氮化鎵器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計也是。”不同的運營團隊，生產(chǎn)出的芯片良率也完全不一樣。

“我們還是鼓勵腳踏實地，慢慢推進技術(shù)的完善和成熟。”查瑩杰表示，如今資本和市場的包容性給了初創(chuàng)公司很多機會，“一個產(chǎn)品的完善很重要的一點就是要有反饋，產(chǎn)品量產(chǎn)后客戶給到你一個正向的反饋，然后進一步提升相應(yīng)的品質(zhì)和促進下一代產(chǎn)品演進，這給供應(yīng)鏈、廠商帶來很大包容?！?/p>