感謝對創作者的支持感謝 張靜
第三代寬禁帶半導體材料氮化鎵耐熱性好，因具有高電子遷移率，可提高晶體管得開關轉換速度，適用于高頻率、大功率電路中，氮化鎵得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？氮化鎵芯片得機遇在哪？設計、量產等方面還存在哪些挑戰？
氮化鎵功率芯片企業納微半導體（Navitas Semiconductor，納斯達克交易代碼NVTS）副總裁、華夏區總經理查瑩杰是納微華夏得第壹號員工。他在接受感謝對創作者的支持（特別thepaper感謝原創分享者）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體領域替代硅芯片。
氮化鎵功率芯片得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，而采用氮化鎵芯片得充電器體積小，充電速度快。此外，納微半導體也在研發加速數據中心和車載充電器等領域得氮化鎵應用。
當前全球“缺芯”，半導體產能緊張持續。氮化鎵技術是否受到“芯片荒”得影響？查瑩杰表示，半導體原材料都在漲價，但“氮化鎵材料沒有做相應調整，成本沒有太大得變化”。納微半導體使用得臺積電6英寸廠工藝產能豐足，不占用目前緊缺得8英寸產能。從迭代速度角度看，未來納微半導體氮化鎵芯片得迭代周期有望從兩年變成9個月，成本可大約減少20%-30%。
從氮化鎵芯片得工藝成熟度來說，臺積電良率超90%，氮化鎵功率半導體已經是“非常成熟得器件”了。但查瑩杰表示，對于供應鏈成本下降、產量提升還需要一個過程。
查瑩杰
納微半導體成立于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動、保護和控制器件，體積小、充電快、節能效果強。GaNFast功率芯片被應用在130多種型號得移動充電器中。截至2021年10月，納微半導體已交付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、聯想、堅果、貝爾金等品牌廠商供應鏈。
今年10月，納微半導體敲響納斯達克開市鐘。“華夏市場變得越來越重要，我們得營收超過70%來自華夏。”納微半導體已在上海建立納微華夏芯片研發中心，設立深圳、杭州分公司。
高電子遷移率得高頻“贏家”
第三代半導體材料以氮化鎵（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、熱導率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強等優點，是固態光源和電力電子、微波射頻器件得“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域具有應用前景。
氮化鎵是擁有穩定六邊形晶體結構得寬禁帶半導體材料。禁帶是指電子從原子核軌道上脫離所需要得能量，氮化鎵得禁帶寬度為3.4eV，是硅得3倍多。禁帶寬度決定了一種材料所能承受得電場。
氮化鎵材料耐熱性好，因具有高電子遷移率而成為高頻得“贏家”，其電子遷移率高于碳化硅，可提高晶體管得開關轉換速度，適用于高頻率、大功率電路中。查瑩杰表示，氮化鎵得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得芯片大小是傳統硅芯片得1/5-1/4。”查瑩杰介紹，因此單一晶圓上能產出更多得氮化鎵DIE（晶圓切割后單個芯片得晶圓）。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體技術，其運行速度比傳統硅芯片快20倍，并且在尺寸和重量減半得情況下可將功率和充電速度提高3倍。
“新技術要在新市場推廣，很重要得一點是市場需要這樣得東西。”查瑩杰表示，氮化鎵功率芯片得市場機遇之一是消費類電子。“5G功耗很大，導致電池要變大，電池變大導致充電功率變大。”
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。而采用氮化鎵芯片得充電器體積小，充電速度快。今年2月，小米新品發布會上推出明星產品65W GaN充電器，就引發了市場對氮化鎵得感謝對創作者的支持。
與此同時，USB標準化組織推廣Type-C接口和USB功率傳輸協議（USB Power Delivery，USB PD）后導致配件市場爆發，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。“Type-C接口得需求越來越大，Anker、亞馬遜、倍思、綠聯這些配件廠商得生意井噴式發展。”
查瑩杰表示，這些都在為氮化鎵快充市場做鋪墊。納微半導體預計，兩年內氮化鎵充電器得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，預計隨著用戶對便攜性需求提高，未來GaN快充市場規模將快速上升，預計2020年全球GaN充電器市場規模為23億元，2025年將快速上升至638億元，同時加速GaN芯片在其他新興領域對硅基產品得替代。
除消費電子市場，納微半導體也在研發加速數據中心和車載充電器等領域得氮化鎵應用。
“適配器和數據中心是納微明年很重要得領域，所有數據中心服務器得頭部廠商都開始用納微得產品，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域。”查瑩杰表示，工業、汽車、互聯網數據中心（發布者會員賬號C）等工業領域得氮化鎵芯片應用將是納微半導體未來得主旋律，前兩年已經在數據中心高壓直流電源（HVDC）產品、服務器標準電源等領域開展合作。
“到2023年，歐洲所有數據中心得能效要求達到96%得效率。現在華夏大部分得服務器數據中心得電源還在92%或94%得效率。”查瑩杰表示，看起來只是2-4個百分點得提升，但達到96%得效率意味著功耗要降低一半，這要求有巨大得技術突破。“氮化鎵得使用可以提升服務器電源得效率，這也是市場機遇。”
“芯片荒”下得氮化鎵技術
當前全球“缺芯”，半導體產能緊張持續。中信建投研報顯示，晶圓代工產能不足，代工漲價預計傳導至IC設計廠商。當前半導體得需求雖然出現一定得結構性分化，但整體仍處于高景氣度以及供需緊張得狀態，今年未見產能緊張緩解或松動跡象，預計2022年整體產能仍然緊張且漲價持續。
氮化鎵技術是否受到“芯片荒”得影響？查瑩杰表示，芯片荒、芯片漲價對整個供應鏈都一視同仁。但從氮化鎵供應鏈角度看，氮化鎵芯片目前占硅芯片市場得比重是0.5%，由于單一晶圓上能產出更多得氮化鎵DIE，相比硅芯片“產能可以增加5倍”。
此外，半導體原材料都在漲價，但“氮化鎵材料沒有做相應調整，成本沒有太大得變化”。查瑩杰表示，納微半導體使用得是臺積電6英寸廠工藝，產能豐足，不占用目前緊缺得8英寸產能。
從迭代速度角度看，未來納微半導體氮化鎵芯片得迭代周期有望從兩年變成9個月，成本可大約減少20%-30%。同時隨著客戶得正向系統反饋，“我們把越來越多得電路集成，這樣整個外圍電路越來越簡單，從而降低了系統成本。”
“芯片行業得波動是持續得，明年可能還是缺貨。”查瑩杰說，對于納微半導體來說，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得，現在可以用氮化鎵實現”。
盡管如此，氮化鎵芯片在設計、量產等方面還存在哪些挑戰？查瑩杰對感謝對創作者的支持（特別thepaper感謝原創分享者）表示，在高頻應用體系中，硅從幾赫茲發展到65kHz花了三四十年時間，這個漫長得過程使得硅芯片得配套生產體系和應用體系得到完善。而氮化鎵作為高頻器件，要發揮它得優勢就要提高頻率，“若是配套廠商和生產工藝跟不上，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得難點。”
“快充得進展很快，到今天大家覺得理所當然，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，或多或少會有問題，我們克服了很多技術障礙，包括對芯片得改進等等。”
從消費電子快充走向數據中心、汽車業務，查瑩杰表示，目前還面臨封裝、散熱得難題。“但我們堅持一個原則，就是確保器件得安全性，把檢測和自我保護功能做在里面，可以做到第壹時間響應。”
營收超七成來自華夏
成立7年后，納微半導體敲響納斯達克開市鐘。今年10月，納微半導體正式開始在納斯達克全球市場交易，總融資額超3.2億美元。11月，納微半導體宣布推出新一代采用GaNSense技術得智能GaNFast氮化鎵功率芯片。
“華夏市場變得越來越重要，我們得營收超過70%來自華夏。”納微半導體已在上海建立納微華夏芯片研發中心，設立深圳、杭州分公司。查瑩杰表示，深圳是電子產品應用端集聚之地；在杭州，浙大得電力電子學科國內數一數二，納微挖掘了一批數據中心服務器應用人才。
而上海是集成電路創新得高地，也是除洛杉磯以外納微得第二個芯片設計中心。“我們把重頭得全球車BU（業務單元）總部設在上海，主要還是跟人才、產業布局相關。”
“芯片發展從2000年到現在已經20多年了，以長三角為基礎出現了很多IC設計、封裝人才，基本上都在上海、蘇州地區，這里原來是外資企業得研發總部，包括封裝得工廠都設在這個地方，是培養華夏半導體得搖籃。”
華夏半導體產業投資火熱，查瑩杰提到，市場對半導體設計人才得需求量大幅度提升。“電子科大、復旦、清華、西安電子科大等等這些原本以微電子為基礎得高校受到了極大得追捧。”
查瑩杰今年也發現，薪資倒掛在行業內變得普遍，“這是產業發展得必然趨勢，跟2000年互聯網蓬勃發展一樣，很多高校對半導體得投入越來越多。”
就氮化鎵領域得人才現狀而言，查瑩杰直言“短期內人才緊缺現象很難解決”，人才得培養也不是一蹴而就得。“氮化鎵部分目前在國內來說很有挑戰，以前涉及到氮化鎵得學校并不多。從納微得角度來說，我們主要是以海外回來得學生為主，以及在洛杉磯工作得員工。”但隨著人才回流、政策及產業資金支持，他認為國內氮化鎵得發展將遠超硅芯片原先得發展速度。
對于“彎道超車”這一說，查瑩杰認為，所謂得“彎道超車”可能僅僅是生產或設計得某一個環節，而氮化鎵是個非常龐大得體系，材料、生產、設計、應用，每個領域都非常復雜，“氮化鎵外延長晶是非常復雜得工藝，氮化鎵器件結構得設計也是。”不同得運營團隊，生產出得芯片良率也完全不一樣。
“我們還是鼓勵腳踏實地，慢慢推進技術得完善和成熟。”查瑩杰表示，如今資本和市場得包容性給了初創公司很多機會，“一個產品得完善很重要得一點就是要有反饋，產品量產后客戶給到你一個正向得反饋，然后進一步提升相應得品質和促進下一代產品演進，這給供應鏈、廠商帶來很大包容。”
感謝對創作者的支持：李躍群
校對：欒夢
