گالیوم نیترید چیست و چطور صنعت نیمه‌هادی را دگرگون می‌کند؟

کمبود جهانی قطعات نیمه‌هادی باعث شده روند تولید هرچیزی، از یخچال‌ها و مایکروویوها گرفته تا کنسول‌های گیمینگ و موبایل‌های هوشمند به تعویق بیفتد. متخصصین می‌گویند که احیای این صنعت ممکن است چند ماه طول می‌کشد، اما در حقیقت این کمبود در حال تغییر دادن لوازم الکترونیکی مصرف‌کنندگان است، تغییری برای همیشه.

صنعت نیمه‌هادی برای چندین دهه به چیزی جز سیلیکون اتکا نکرده است، اما کمبود چیپ دارد باعث می‌شود شاهد دیوایس‌های الکترونیکی دوست‌دار محیط زیست، بهینه‌تر و کوچک‌تر باشیم. کمپانی‌های بیشتری حالا شروع به استفاده از گالیوم نیترید (GaN) کرده‌اند، زیرا تولید آن نسبت به چیپ‌های سیلیکونی با سرعت و سهولت بیشتری صورت می‌گیرد و البته مزایا همین‌جا به پایان نمی‌رسند.

خبرگزاری TechRadar اخیر به صحبت با استفن اولیور، نایس رییس بازاریابی سازمانی و ارتباطات سرمایه‌گذاران در شرکت نیمه‌هادی Navitas Semiconductor پرداخته تا متوجه شویم کمبود چیپ چه اثری بر لوازم الکترونیکی مصرف‌کنندگان می‌گذارد و چطور توجه صنعت را از سیلیکون دور می‌کند. شرکت Navitas به تامین چیپ‌های گالیوم نیترید برای شرکت‌هایی نظیر انکر، Aukey، بلکین، دل، هایپر، لنوو، اوپو، RAVPower، ورایزن و دوجین شرکت دیگر می‌پردازد.

گالیوم نیترید چیست و چرا اهمیت دارد؟

با ترکیب گالیوم و نیتروژن، گالیوم نیترید (GaN) به دست می‌آید که ماده‌ای نیمه‌هادی با ساختار کریستال شش ضلعی و سخت است. تکنولوژی گالیوم نیترید می‌تواند میدان‌های الکتریکی‌های بزرگ‌تر را در فرم فاکتوری کوچک‌تر نسبت به سیلیکون‌های معمولی مدیریت کند و در عین حال سرعت سوییچینگ بسیار بالاتری هم دارد. علاوه بر این، تکنولوژی‌های گالیوم نیترید می‌توانند در بیشینه حرارت بسیار بسیار بالاتری نسبت به همتایان سیلیکونی خود به کار ادامه دهند.

اهمیت گالیوم نیترید طی چند وقت اخیر از این بابت افزایش یافته که می‌تواند بهبود چشمگیر پرفورمنس را در موارد استفاده بسیار گوناگون با خود به همراه درآورد و در عین نیازمند انرژی و فضای فیزیکی کمتری نسبت به تکنولوژی‌های رایج سیلیکونی، آن هم برای دستیابی به پرفورمنسی کاملا مشابه است. در برخی مواردی که سیلیکون به عنوان یک پلتفرم واگردانی انرژی با محدودیت‌های فیزیکی مواجه شده، تکنولوژی‌های گالیوم نیترید شکلی ضروری‌تر به خود گرفته‌اند. در سایر موارد زیر مزایایی مانند بهینگی بیشتر، سرعت سوییچینگ، ابعاد و دمای عملیاتی دست به دست یکدیگر می‌دهند تا گالیوم نیترید را تکنولوژی بسیار جذاب‌تری به حساب آوریم.

همینطور که نیاز به انرژی در سراسر جهان افزایش می‌یابد، گذار به سمت تکنولوژی گالیوم نیترید به ما در همگام ماندن با تقاضا کمک خواهد کرد و در عین حال میزان تولیدات کربنی هم در پایین‌ترین مقدار باقی می‌ماند. اگر بخواهیم دقیق‌تر باشیم، طراحی‌های کنونی گالیوم نیترید نشان داده‌اند که ضمن قوت رساندن به نسل بعدی نیمه‌هادی، تولیدات کربنی ۱۰ برابر کمتر از چیپ‌های قدیمی‌تر و کندتر سیلیکونی دارند. برای اینکه شرایط از این هم جالب‌تر شود، تخمین زده شده که ارتقای دیتاسنترها و جایگزین گالیوم نیترید به جای سیلیکون باعث می‌شود هدررفت انرژی بین ۳۰ الی ۴۰ درصد کاهش یابد و این یعنی می‌توانیم به ذخیره ۱۰۰ تراوات ساعت و کاهش ۱۲۵ میلیون تن تولید دی‌اکسید کربن تا سال ۲۰۳۰ میلادی دست یابیم.

گالیوم چطور ساخته می‌شود؟

گالیوم را نمی‌توان در فرم یک عنصر در طبیعت یافت. این ماده معمولا یکی از محصولاتی است که از گداختن بوکسیت برای تولید آلومینیوم و پردازش اسفالریت برای تولید روی به دست می‌آید. بنابراین در پروسه تولید گالیوم شاهد کمترین میزان نشر دی‌اکسید کربن هستیم.

گالیوم چقدر هزینه دارد؟

در هر سال بیش از ۳۰۰ تن گالیوم تولید می‌شود و انتظار می‌رود همین حالا بیش از یک میلیون تن گالیوم نیز به صورت رزرو در سراسر جهان داشته باشیم. از آن‌جایی که گالیوم محصولی جانبی در پروسه پردازش موادی دیگر است، هزینه‌های نسبتا کمی به وجود می‌آورد و هر کیلوگرم از آن ۳۰۰ دلار می‌ارزد: یعنی ۲۰۰ برابر کمتر از طلا که ۶۰ هزار دلار به ازای هر کیلو قیمت‌گذاری شده.

گالیوم نیترید در کدام وسایل الکترونیکی استفاده می‌شود؟

گالیوم نیترید برای مدتی طولانی در تولید قطعات متعلق به LEDها و تجهیزات رادیویی استفاده شده، اما حالا دارد به اقبال عمومی دست می‌یابد و راهش را به شمار قابل توجهی از دیوایس‌های واگردان انرژی و سوییچینگ انرژی باز می‌کند. در حال حاضر مدارهای یکپارچه مبتنی بر گالیوم نیترید می‌توانند به تقاضا برای بهبود پرفورمنس و بهینگی سیستم‌ها پاسخ دهند، در فضای فیزیکی صرفه‌جویی کنند و عملیات قابل اتکا را در دمایی بالاتر به ارمغان آورند. برای مثال درون موبایل‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها، سیگنال‌های وای‌فای و GSM با دیوایس‌های رادیویی مبتنی بر گالیوم نیترید مخابره و دریافت می‌شوند. از سوی دیگر، شمار شارژرها و آداپتورهایی که به این دیوایس‌ها انرژی می‌رسانند و به گالیوم نیترید مجهز هستند هم روز به روز افزایش می‌یابد.

اگر بخواهیم دقیق‌تر باشیم، بزرگ‌ترین بازار برای گالیوم نیترید اکنون بازار شارژ سریع موبایل است و استفاده از گالیوم نیترید درون مدارهای یکپارچه باعث می‌شود به شارژ سه‌ برابر سریع‌تر درون آداپتورهایی دست یابیم که ابعادی نصف مدل‌های قدیمی و وزن کمتر از طراحی‌های مبتنی بر سیلیکون دارند. در دنیای شارژرهایی که خروجی واحد دارند، قیمت خرده‌فروشی طراحی‌های مبتنی بر گالیوم نیترید نصف بهترین شارژرهای سیلیکونی است و این قیمت نسبت به شارژرهایی که چند خروجی دارند به سه برابر کمتر می‌رسد.

قطعات نیمه‌هادی قوت‌گرفته از گالیوم نیترید در حال باز کردن راه خود به سرورهای موجود در دیتاسنترها نیز هستند. همینطور که ترافیک دیتاسنترها بیشتر می‌شود، توانایی سیلیکون در پردازش به صورت بهینه و موثر به مانعی فیزیکی برمی‌خورد. در نتیجه، چیپ‌های سیلیکونی قدیمی و کند حالا جای خود را به مدارهای یکپارچه پرسرعت گالیوم نیترید می‌دهند.

در صنعت اتومبیل و حمل‌ونقل، گالیوم نیترید دارد به تکنولوژی محبوب تولیدکنندگان برای واگردانی انرژی و شارژ باتری درون اتومبیل‌های الکتریکی و هیبریدی تبدیل می‌شود. محصولات مبتنی بر گالیوم نیترید را می‌تواند در اینورترهای موجود در پنل‌های خورشیدی نیز یافت.

چرا گالیوم نیترید تحت تاثیر کمبود کنونی چیپ قرار نگرفته؟

سیلیکون یک کالا است، بنابراین تولیدکنندگان باید در شیفت‌های سه‌گانه و ۲۴ ساعت روز و ۷ هفته به تولید ادامه دهند تا همچنان قادر به کسب درآمد و افزایش ظرفیت خود باشند. با توجه به عدم قطعیتی که پاندمی کووید-۱۹ در جهان به وجود آورده، توقف و آغاز روند تولید برای تولیدکنندگان چیپ‌های سیلیکونی دشوار است و زمانی که تولید به بن‌بست می‌خورد، شاهد انعطاف‌پذیری چندانی در روند احیای تولید نیستیم. از سوی دیگر، روند تولید ۱۲ هفته‌ای گالیوم نیترید به مراتب از روند تولید بیش از ۵۲ هفته‌ای سیلیکون کوتاه‌تر است و ظرفیت اضافه به سرعت پر می‌شود. گالیوم نیترید را می‌توان به شکلی بسیار بهینه‌تر نسبت به سیلیکون تولید کرد و پروسه تولید آن هم انعطاف‌پذیری بیشتری دارد. بنابراین گالیوم نیترید مثل سیلیکون تحت تاثیر بحران کنونی قرار نگرفته است.

آینده برای گالیوم نیترید چه شکلی است؟

با پرفورمنسی رکوردشکنانه، مدارهای یکپارچه‌ی مبتنی بر گالیوم نیترید می‌توانند انقلاب دوم در لوازم الکترونیکی را رقم بزنند. گالیوم نیترید در حال حاضر دیوایس‌هایی با ولتاژ بین ۸۰ الی ۹۰۰ ولت را پوشش می‌دهد و محققان سخت مشغول کار برای استفاده از آن در دیوایس‌هایی با ولتاژ پایین‌تر یا بالاتر از بازه مورد اشاره هستند.