GaN – vật liệu nắm giữ tương lai ngành bán dẫn

Sở hữu hiệu suất vượt trội, những con chip sử dụng Gallium Nitride (GaN) được cho là sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực điện tử công suất.

Cuộc khủng hoảng chất bán dẫn toàn cầu đang làm trì hoãn việc sản xuất mọi thứ từ tủ lạnh, lò vi sóng đến máy chơi game, smartphone. Các chuyên gia cho rằng có thể mất nhiều tháng để ngành công nghiệp bán dẫn phục hồi, nhưng trên thực tế, tình trạng thiếu hụt chip này đang thay đổi ngành điện tử tiêu dùng mãi mãi.

Trong nhiều thập kỷ, silicon luôn là vật liệu thống trị trong ngành công nghiệp bán dẫn, nhưng khoảng thời gian ngặt nghèo thiếu chip silicon gần đây đang giúp cho một vật liệu mới lên ngôi với tiềm năng làm cho các thiết bị điện tử thân thiện với môi trường, hiệu quả và nhỏ hơn. Nhiều công ty đang chuyển sang sử dụng Gallium Nitride (GaN) vì nó dễ sản xuất hơn và nhanh hơn so với chip silicon.

TechRadar đã phỏng vấn Stephen Oliver, Phó giám đốc tiếp thị doanh nghiệp và quan hệ nhà đầu tư tại Navitas Semiconductor, để tìm hiểu tình trạng thiếu hụt đang ảnh hưởng như thế nào đến ngành điện tử tiêu dùng và xu hướng dịch chuyển của ngành khỏi vật liệu silicon. Navitas hiện là đơn vị cung cấp chip GaN cho các công ty bao gồm Anker, Aukey, Belkin, Dell, Hyper, Lenovo, OPPO, RAVPower, Verizon và hàng chục công ty khác.

Navitas Semiconductor giới thiệu công nghệ IC nguồn GaNFast tại CES 2020. Ảnh: Navitas.

GaN là gì và tại sao quan trọng?

Là hợp chất giữa gali (số nguyên tử 31) và nitơ (số nguyên tử 7), Gallium Nitride là một vật liệu bán dẫn dải rộng (wide-bandgap semiconductor) với cấu trúc tinh thể hình lục giác, cứng. Trong đó, bandgap là mức năng lượng cần thiết để các electron và các lỗ trống điện tử hole di chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Các chất bán dẫn thông thường như silicon có bandgap nằm trong khoảng 1 – 1,5 electronvolt (eV), trong khi các vật liệu có dải tần rộng có bandgap trong khoảng 2 – 4 eV.

Vì bandgap quyết định điện trường mà vật liệu có thể chịu được, mức bandgap rộng hơn của GaN cho phép phát triển các chất bán dẫn có vùng nghèo (depletion region) rất ngắn, dẫn đến cấu trúc thiết bị có mật độ hạt tải điện rất cao. Với kích thước bóng bán dẫn nhỏ hơn và đường dẫn ngắn hơn, điện trở và điện dung cực thấp sẽ được tạo ra, cho phép tốc độ nhanh hơn gấp 100 lần.

Điểm mấu chốt là công nghệ GaN có thể xử lý điện trường lớn hơn với kích thước nhỏ hơn nhiều so với silicon thông thường, trong khi chuyển mạch nhanh hơn đáng kể. Ngoài ra, công nghệ GaN có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa cao hơn so với các công nghệ dựa trên silicon.

GaN ngày càng chứng tỏ được tầm quan trọng nhờ khả năng cung cấp hiệu suất tương đối tốt trên nhiều ứng dụng, đồng thời giảm năng lượng và không gian cần thiết. Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng lên, việc chuyển sang công nghệ GaN sẽ giúp đáp ứng nhu cầu trong khi vẫn giữ mức phát thải carbon ở mức tối thiểu. Thiết kế tích hợp GaN đã được chứng minh có thể cung cấp chất bán dẫn thế hệ tiếp theo với lượng khí thải carbon thấp hơn mười lần so với các chip silicon cũ. Người ta ước tính rằng việc nâng cấp các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới từ chip Silicon sang GaN sẽ giảm thất thoát năng lượng khoảng 30 đến 40%, tức là tiết kiệm hơn 100 terawatt giờ điện và 125 triệu tấn khí thải CO2 vào năm 2030.

Gali được tạo ra thế nào?

Gali không tồn tại ở dạng nguyên tố trong tự nhiên. Nó phụ phẩm từ quá trình nấu chảy quặng bauxit thành nhôm, cũng như quá trình chế biến quặng sphalerit để lấy kẽm, do đó có lượng khí thải carbon khai thác và tinh chế rất thấp.

Gali giá bao nhiêu?

Hơn 300 tấn gali được sản xuất hàng năm, với trữ lượng ước tính hơn một triệu tấn trên khắp thế giới. Vì là phụ phẩm chế biến nên giá thành gali tương đối thấp, khoảng 300 USD/kg, thấp hơn vàng 200 lần.

GaN được sử dụng như thế nào trong đồ điện tử?

Gallium nitride từ lâu đã được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện cao tần và quang điện tử nhưng hiện được ứng dụng phổ biến trong một số ứng dụng chuyển mạch và chuyển đổi nguồn. Cụ thể, các chip dựa trên GaN có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống, tiết kiệm không gian và cung cấp hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cao hơn.

Trong các sản phẩm điện thoại và laptop, tín hiệu mạng di động GSM và Wi-Fi được truyền và nhận bằng thiết bị thiết bị thu phát sóng vô tuyến có chứa GaN, trong khi nhiều bộ sạc và bộ chuyển đổi năng lượng cho các thiết bị này cũng được tích hợp GaN. Trên thực tế, thị trường lớn nhất về nguồn GaN hiện là sạc nhanh di động, với các chip GaN các bộ adaptor có thể sạc nhanh gấp ba lần trong khi kích thước và trọng lượng chỉ bằng một nửa so với các thiết kế dựa trên silicon. Hơn nữa, đối với bộ sạc một nguồn ra, giá khi bán lẻ của GaN chỉ bằng một nửa so với các bộ sạc silicon tốt nhất và thấp hơn ba lần so với các bộ sạc nhiều đầu ra.

Gallium nitride được sử dụng trong bộ sạc của Anker. Ảnh: The Verge.

Chất bán dẫn Gallium Nitride cũng đang được ứng dụng trong các máy chủ của các trung tâm dữ liệu. Khi lưu lượng truy cập vào trung tâm dữ liệu tăng đột biến đến một ngưỡng nhất định, khả năng xử lý điện năng của silicon sẽ gặp phải rào cản về giới hạn “vật liệu vật lý”. Kết quả là, chip silicon bị vượt qua bởi các chip GaN tốc độ cao.

Trong ngành công nghiệp ôtô, Gallium Nitride đang trở thành công nghệ được lựa chọn để chuyển đổi năng lượng và sạc pin trong các loại xe hybrid và xe điện. Các sản phẩm dựa trên GaN cũng có thể được tìm thấy trong các bộ biến tần lắp đặt trên các thiết bị điện mặt trời và các ứng dụng công nghiệp khác.

Tại sao GaN không bị ảnh hưởng bởi tình trạng thiếu chip hiện tại?

Với silicon, các nhà sản xuất cần hoạt động với công suất cao, 3 ca, 24/7 với thời gian thực hiện lâu và chi phí đầu tư ban đầu cao. Rất khó để các nhà sản xuất chip silicon bắt đầu và dừng lại hoạt động đột ngột, do đó, hạn chế tính linh hoạt trong phục hồi sau bất kỳ lần ngừng hoạt động nào.

Mặt khác, GaN có thời gian từ lúc thiết kế tới giao hàng chỉ 12 tuần rất nhanh, so với hơn 52 tuần đối với một số thiết bị silicon. GaN có thể được sản xuất hiệu quả hơn silicon và quá trình sản xuất linh hoạt hơn dẫn đến GaN không bị ảnh hưởng nhiều như silicon.

GaN sẽ thay thế silicon?

Để khai thác hết khả năng của chip GaN, phần còn lại của mạch cũng phải có khả năng chạy hiệu quả ở tần số cao hơn. Trong những năm gần đây, các vi mạch điều khiển đã được giới thiệu để sử dụng các tần số chuyển mạch từ 65 đến100 kHz lên đến 1 MHz . Bộ vi điều khiển và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) cũng có thể được sử dụng để triển khai cấu trúc liên kết chuyển mạch mềm, trong khi một loạt các vật liệu từ tính được tối ưu hóa cho dải tần 1 – 2 MHz hiện đã có sẵn.

GaN hiện được xử lý bằng thiết bị CMOS 250-350 nm cho ra kích thước tương đối lớn phù hợp để xử lý năng lượng. CPU, GPU sử dụng silicon được xử lý dưới 10 nm rất tốt cho quá trình xử lý kỹ thuật số. Vì vậy điểm tối ưu là sử dụng GaN để “chuyển đổi điện năng” và silicon để “xử lý dữ liệu”. Với hiệu suất ngày càng được cải tiến, chip gallium nitride sẽ là chất xúc tác cho cuộc cách mạng lần thứ hai trong lĩnh vực điện tử công suất.