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率，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。在环球“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寻衅？
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。他在接管澎湃新闻（www.thepaper.cn）专访时表示，从性能、本钱上看，氮化镓芯片须要逐步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，而采取氮化镓芯片的充电器体积小，充电速率快。此外，纳微半导体也在研发加速数据中央和车载充电器等领域的氮化镓运用。
当前环球“缺芯”，半导体产能紧张持续。氮化镓技能是否受到“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度，本钱没有太大的变革”。纳微半导体利用的台积电6英寸厂工艺产能丰足，不占用目前紧缺的8英寸产能。从迭代速率角度看，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，本钱可大约减少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，对付供应链本钱低落、产量提升还须要一个过程。
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、保护和掌握器件，体积小、充电快、节能效果强。GaNFast功率芯片被运用在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、遐想、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主要，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央，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运用前景。
氮化镓是拥有稳定六边形晶体构造的宽禁带半导体材料。禁带是指电子从原子核轨道上分开所须要的能量，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率，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。
“同等性能条件下用氮化镓做的芯片大小是传统硅芯片的1/5-1/4。”查莹杰先容，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）。由于利用硅衬底，氮化镓芯片本钱可得到有效掌握。氮化镓作为新一代半导体技能，其运行速率比传统硅芯片快20倍，并且在尺寸和重量减半的情形下可将功率和充电速率提高3倍。
“新技能要在新市场推广，很主要的一点是市场须要这样的东西。”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。而采取氮化镓芯片的充电器体积小，充电速率快。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，手性能快充，条记本电脑也能用，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买卖井喷式发展。”
查莹杰表示，这些都在为氮化镓快充市场做铺垫。纳微半导体估量，两年内氮化镓充电器的本钱将与硅充电器打平，3年后氮化镓充电器制造本钱有望比硅充电器更低。
中信证券研报显示，目前市情上已有多家厂商布局GaN快充，估量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，估量2020年环球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央和车载充电器等领域的氮化镓运用。
“适配器和数据中央是纳微明年很主要的领域，所有数据中央做事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、互联网数据中央（IDC）等工业领域的氮化镓芯片运用将是纳微半导体未来的主旋律，前两年已经在数据中央高压直流电源（HVDC）产品、做事器标准电源等领域开展互助。
“到2023年，欧洲所有数据中央的能效哀求达到96%的效率。现在中国大部分的做事器数据中央的电源还在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落一半，这哀求有巨大的技能打破。“氮化镓的利用可以提升做事器电源的效率，这也是市场机遇。”
“芯片荒”下的氮化镓技能
当前环球“缺芯”，半导体产能紧张持续。中信建投研报显示，晶圆代工产能不敷，代工涨价估量传导至IC设计厂商。当前半导体的需求虽然涌现一定的构造性分解，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，估量2022年整体产能仍旧紧张且涨价持续。
氮化镓技能是否受到“芯片荒”的影响？查莹杰表示，芯片荒、芯片涨价对全体供应链都等量齐观。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，比较硅芯片“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度，本钱没有太大的变革”。查莹杰表示，纳微半导体利用的是台积电6英寸厂工艺，产能丰足，不占用目前紧缺的8英寸产能。
从迭代速率角度看，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，本钱可大约减少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，这样全体外围电路越来越大略，从而降落了系统本钱。”
“芯片行业的颠簸是持续的，明年可能还是缺货。”查莹杰说，对付纳微半导体来说，策略是不断减小氮化镓DIE尺寸，“极限值还远远没有到。”此外便是走集成路线，以前“很多电路是用硅来实现的，现在可以用氮化镓实现”。
只管如此，氮化镓芯片在设计、量产等方面还存在哪些寻衅？查莹杰对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，在高频运用体系中，硅从几赫兹发展到65kHz花了三四十年韶光，这个漫长的过程使得硅芯片的配套生产体系和运用体系得到完善。而氮化镓作为高频器件，要发挥它的上风就要提高频率，“若是配套厂商和生产工艺跟不上，就要花费大量韶光办理问题，这也是氮化镓在高频利用时碰到的难点。”
“快充的进展很快，到本日大家以为天经地义，实在我们也有很多酸楚史。从2018年开始我们就跟很多客户互助，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，我们战胜了很多技能障碍，包括对芯片的改进等等。”
从消费电子快充走向数据中央、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，便是确保器件的安全性，把检测和自我保护功能做在里面，可以做到第一韶光相应。”
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环球市场交易，总融资额超3.2亿美元。11月，纳微半导体宣告推出新一代采取GaNSense技能的智能GaNFast氮化镓功率芯片。
“中国市场变得越来越主要，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央，设立深圳、杭州分公司。查莹杰表示，深圳是电子产品运用端集聚之地；在杭州，浙大的电力电子学科海内数一数二，纳微挖掘了一批数据中央做事器运用人才。
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央。“我们把重头的环球车BU（业务单元）总部设在上海，紧张还是跟人才、家当布局干系。”
“芯片发展从2000年到现在已经20多年了，以长三角为根本涌现了很多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。”
中国半导体家当投资火热，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来以微电子为根本的高校受到了极大的追捧。”
查莹杰今年也创造，薪资倒挂在行业内变得普遍，“这是家当发展的一定趋势，跟2000年互联网发达发展一样，很多高校正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“短期内人才紧缺征象很难办理”，人才的培养也不是一挥而就的。“氮化镓部分目前在海内来说很有寻衅，以前涉及到氮化镓的学校并不多。从纳微的角度来说，我们紧张因此外洋回来的学生为主，以及在洛杉矶事情的员工。”但随着人才回流、政策及家当资金支持，他认为海内氮化镓的发展将远超硅芯片原来的发展速率。
对付“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，而氮化镓是个非常弘大的体系，材料、生产、设计、运用，每个领域都非常繁芜，“氮化镓外延长晶是非常繁芜的工艺，氮化镓器件构造的设计也是。”不同的运营团队，生产出的芯片良率也完备不一样。
“我们还是鼓励脚踏实地，逐步推进技能的完善和成熟。”查莹杰表示，如今成本和市场的原谅性给了初创公司很多机会，“一个产品的完善很主要的一点便是要有反馈，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、厂商带来很大原谅。”
任务编辑：李跃群
校正：栾梦
