感謝 張靜

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，可提高晶體管得開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)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(lái)整體功率密度提升，目前氮化鎵功率芯片已進(jìn)入消費(fèi)電子快充市場(chǎng)。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(jī)遇在哪？設(shè)計(jì)、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(dá)克交易代碼NVTS）副總裁、華夏區(qū)總經(jīng)理查瑩杰是納微華夏得第壹號(hào)員工。他在接受（特別thepaper）專訪時(shí)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。

氮化鎵功率芯片得市場(chǎng)機(jī)遇之一是消費(fèi)類電子。手機(jī)充電功率在增長(zhǎng)，適配器和充電器功率從5瓦、10瓦變成65瓦、125瓦時(shí)便攜性越來(lái)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(dǎo)體也在研發(fā)加速數(shù)據(jù)中心和車載充電器等領(lǐng)域得氮化鎵應(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”得影響？查瑩杰表示，半導(dǎo)體原材料都在漲價(jià)，但“氮化鎵材料沒(méi)有做相應(yīng)調(diào)整，成本沒(méi)有太大得變化”。納微半導(dǎo)體使用得臺(tái)積電6英寸廠工藝產(chǎn)能豐足，不占用目前緊缺得8英寸產(chǎn)能。從迭代速度角度看，未來(lái)納微半導(dǎo)體氮化鎵芯片得迭代周期有望從兩年變成9個(gè)月，成本可大約減少20%-30%。

從氮化鎵芯片得工藝成熟度來(lái)說(shuō)，臺(tái)積電良率超90%，氮化鎵功率半導(dǎo)體已經(jīng)是“非常成熟得器件”了。但查瑩杰表示，對(duì)于供應(yīng)鏈成本下降、產(chǎn)量提升還需要一個(gè)過(guò)程。

查瑩杰

納微半導(dǎo)體成立于2014年，總部位于愛(ài)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(dòng)、保護(hù)和控制器件，體積小、充電快、節(jié)能效果強(qiáng)。GaNFast功率芯片被應(yīng)用在130多種型號(hào)得移動(dòng)充電器中。截至2021年10月，納微半導(dǎo)體已交付3000萬(wàn)多顆GaNFast功率芯片。在65W功率段，GaNFast功率芯片頻頻進(jìn)入OPPO、小米、努比亞、聯(lián)想、堅(jiān)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(dá)克開(kāi)市鐘。“華夏市場(chǎng)變得越來(lái)越重要，我們得營(yíng)收超過(guò)70%來(lái)自華夏。”納微半導(dǎo)體已在上海建立納微華夏芯片研發(fā)中心，設(shè)立深圳、杭州分公司。

高電子遷移率得高頻“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(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件得“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)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)得寬禁帶半導(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(chǎng)。

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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度，適用于高頻率、大功率電路中。查瑩杰表示，氮化鎵得高頻特性可帶來(lái)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(tǒng)硅芯片得1/5-1/4。”查瑩杰介紹，因此單一晶圓上能產(chǎn)出更多得氮化鎵DIE（晶圓切割后單個(gè)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(dǎo)體技術(shù)，其運(yùn)行速度比傳統(tǒng)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(shù)要在新市場(chǎng)推廣，很重要得一點(diǎn)是市場(chǎng)需要這樣得東西。”查瑩杰表示，氮化鎵功率芯片得市場(chǎng)機(jī)遇之一是消費(fèi)類電子。“5G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(jī)充電功率在增長(zhǎng)，適配器和充電器功率從5瓦、10瓦變成65瓦、125瓦時(shí)便攜性越來(lái)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(fā)布會(huì)上推出明星產(chǎn)品65W GaN充電器，就引發(fā)了市場(chǎng)對(duì)氮化鎵得。

與此同時(shí)，USB標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)爆發(fā)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適配器，手機(jī)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(lái)越大，Anker、亞馬遜、倍思、綠聯(lián)這些配件廠商得生意井噴式發(fā)展。”

查瑩杰表示，這些都在為氮化鎵快充市場(chǎng)做鋪墊。納微半導(dǎo)體預(yù)計(jì)，兩年內(nèi)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(bào)顯示，目前市面上已有多家廠商布局GaN快充，預(yù)計(jì)隨著用戶對(duì)便攜性需求提高，未來(lái)GaN快充市場(chǎng)規(guī)模將快速上升，預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場(chǎng)規(guī)模為23億元，2025年將快速上升至638億元，同時(shí)加速GaN芯片在其他新興領(lǐng)域?qū)杌a(chǎn)品得替代。

除消費(fèi)電子市場(chǎng)，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)域得氮化鎵應(yīng)用。

“適配器和數(shù)據(jù)中心是納微明年很重要得領(lǐng)域，所有數(shù)據(jù)中心服務(wù)器得頭部廠商都開(kāi)始用納微得產(chǎn)品，汽車和太陽(yáng)能緊隨其后，我們目前并沒(méi)有單一依賴于某一個(gè)客戶或某一個(gè)領(lǐng)域。”查瑩杰表示，工業(yè)、汽車、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（C）等工業(yè)領(lǐng)域得氮化鎵芯片應(yīng)用將是納微半導(dǎo)體未來(lái)得主旋律，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(biāo)準(zhǔn)電源等領(lǐng)域開(kāi)展合作。

“到2023年，歐洲所有數(shù)據(jù)中心得能效要求達(dá)到96%得效率。現(xiàn)在華夏大部分得服務(wù)器數(shù)據(jù)中心得電源還在92%或94%得效率。”查瑩杰表示，看起來(lái)只是2-4個(gè)百分點(diǎn)得提升，但達(dá)到96%得效率意味著功耗要降低一半，這要求有巨大得技術(shù)突破。“氮化鎵得使用可以提升服務(wù)器電源得效率，這也是市場(chǎng)機(jī)遇。”

“芯片荒”下得氮化鎵技術(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(bào)顯示，晶圓代工產(chǎn)能不足，代工漲價(jià)預(yù)計(jì)傳導(dǎo)至IC設(shè)計(jì)廠商。當(dāng)前半導(dǎo)體得需求雖然出現(xiàn)一定得結(jié)構(gòu)性分化，但整體仍處于高景氣度以及供需緊張得狀態(tài)，今年未見(jiàn)產(chǎn)能緊張緩解或松動(dòng)跡象，預(yù)計(jì)2022年整體產(chǎn)能仍然緊張且漲價(jià)持續(xù)。

氮化鎵技術(shù)是否受到“芯片荒”得影響？查瑩杰表示，芯片荒、芯片漲價(jià)對(duì)整個(gè)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(chǎng)得比重是0.5%，由于單一晶圓上能產(chǎn)出更多得氮化鎵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(jià)，但“氮化鎵材料沒(méi)有做相應(yīng)調(diào)整，成本沒(méi)有太大得變化”。查瑩杰表示，納微半導(dǎo)體使用得是臺(tái)積電6英寸廠工藝，產(chǎn)能豐足，不占用目前緊缺得8英寸產(chǎn)能。

從迭代速度角度看，未來(lái)納微半導(dǎo)體氮化鎵芯片得迭代周期有望從兩年變成9個(gè)月，成本可大約減少20%-30%。同時(shí)隨著客戶得正向系統(tǒng)反饋，“我們把越來(lái)越多得電路集成，這樣整個(gè)外圍電路越來(lái)越簡(jiǎn)單，從而降低了系統(tǒng)成本。”

“芯片行業(yè)得波動(dòng)是持續(xù)得，明年可能還是缺貨。”查瑩杰說(shuō)，對(duì)于納微半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，策略是不斷減小氮化鎵DIE尺寸，“極限值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有到。”此外就是走集成路線，以前“很多電路是用硅來(lái)實(shí)現(xiàn)得，現(xiàn)在可以用氮化鎵實(shí)現(xiàn)”。

盡管如此，氮化鎵芯片在設(shè)計(jì)、量產(chǎn)等方面還存在哪些挑戰(zhàn)？查瑩杰對(duì)（特別thepaper）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(shí)間，這個(gè)漫長(zhǎng)得過(guò)程使得硅芯片得配套生產(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)揮它得優(yōu)勢(shì)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(fèi)大量時(shí)間解決問(wèn)題，這也是氮化鎵在高頻使用時(shí)碰到得難點(diǎn)。”

“快充得進(jìn)展很快，到今天大家覺(jué)得理所當(dāng)然，其實(shí)我們也有很多辛酸史。從2018年開(kāi)始我們就跟很多客戶合作，一開(kāi)始大家都很高興又做了一個(gè)好東西，但一量產(chǎn)，或多或少會(huì)有問(wèn)題，我們克服了很多技術(shù)障礙，包括對(duì)芯片得改進(jìn)等等。”

從消費(fèi)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、散熱得難題。“但我們堅(jiān)持一個(gè)原則，就是確保器件得安全性，把檢測(cè)和自我保護(hù)功能做在里面，可以做到第壹時(shí)間響應(yīng)。”

營(yíng)收超七成來(lái)自華夏

成立7年后，納微半導(dǎo)體敲響納斯達(dá)克開(kāi)市鐘。今年10月，納微半導(dǎo)體正式開(kāi)始在納斯達(dá)克全球市場(chǎng)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)得智能GaNFast氮化鎵功率芯片。

“華夏市場(chǎng)變得越來(lái)越重要，我們得營(yíng)收超過(guò)70%來(lái)自華夏。”納微半導(dǎo)體已在上海建立納微華夏芯片研發(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，浙大得電力電子學(xué)科國(guó)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)新得高地，也是除洛杉磯以外納微得第二個(gè)芯片設(shè)計(jì)中心。“我們把重頭得全球車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(zhǎng)三角為基礎(chǔ)出現(xiàn)了很多IC設(shè)計(jì)、封裝人才，基本上都在上海、蘇州地區(qū)，這里原來(lái)是外資企業(yè)得研發(fā)總部，包括封裝得工廠都設(shè)在這個(gè)地方，是培養(yǎng)華夏半導(dǎo)體得搖籃。”

華夏半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資火熱，查瑩杰提到，市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人才得需求量大幅度提升。“電子科大、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)得高校受到了極大得追捧。”

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)展得必然趨勢(shì)，跟2000年互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展一樣，很多高校對(duì)半導(dǎo)體得投入越來(lái)越多。”

就氮化鎵領(lǐng)域得人才現(xiàn)狀而言，查瑩杰直言“短期內(nèi)人才緊缺現(xiàn)象很難解決”，人才得培養(yǎng)也不是一蹴而就得。“氮化鎵部分目前在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)很有挑戰(zhàn)，以前涉及到氮化鎵得學(xué)校并不多。從納微得角度來(lái)說(shuō)，我們主要是以海外回來(lái)得學(xué)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(chǎn)業(yè)資金支持，他認(rèn)為國(guó)內(nèi)氮化鎵得發(fā)展將遠(yuǎn)超硅芯片原先得發(fā)展速度。

對(duì)于“彎道超車”這一說(shuō)，查瑩杰認(rèn)為，所謂得“彎道超車”可能僅僅是生產(chǎn)或設(shè)計(jì)得某一個(gè)環(huán)節(jié)，而氮化鎵是個(gè)非常龐大得體系，材料、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用，每個(gè)領(lǐng)域都非常復(fù)雜，“氮化鎵外延長(zhǎng)晶是非常復(fù)雜得工藝，氮化鎵器件結(jié)構(gòu)得設(shè)計(jì)也是。”不同得運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)，生產(chǎn)出得芯片良率也完全不一樣。

“我們還是鼓勵(lì)腳踏實(shí)地，慢慢推進(jìn)技術(shù)得完善和成熟。”查瑩杰表示，如今資本和市場(chǎng)得包容性給了初創(chuàng)公司很多機(jī)會(huì)，“一個(gè)產(chǎn)品得完善很重要得一點(diǎn)就是要有反饋，產(chǎn)品量產(chǎn)后客戶給到你一個(gè)正向得反饋，然后進(jìn)一步提升相應(yīng)得品質(zhì)和促進(jìn)下一代產(chǎn)品演進(jìn)，這給供應(yīng)鏈、廠商帶來(lái)很大包容。”

：李躍群

校對(duì)：欒夢(mèng)