发布日期 2024-09-12 | B站
正文
如果你玩最近最火的游戏《黑神话：悟空》很上头，那么你的电脑一定有一颗能打的图形处理器，和一个4K LED显示器。如果你想把厚重的游戏本带出家门，一个轻便的充电头会大大减轻你的负担。如果你想用电动汽车换掉自己的燃油车，最关心的问题是充电桩的功率还能不能继续提升，尽量接近加油的速度。以上需求都需要同一种材料：氮化镓。氮化镓温度适应范围高，抗电压击穿能力强，被称为第三代半导体材料。不过，氮化镓能改造的半导体暂时还不能包括中央处理器CPU和图形处理器GPU这些用于计算的芯片，而是主要影响功率芯片。
拿过诺贝尔物理学奖的蓝光LED
今天我们来聊一聊第三代半导体材料，氮化镓。如果说计算芯片是电子设备的大脑，功率半导体就像一颗心脏，用来转化电力能量，比如电能的开关、放大、转换交流电直流电，转换为光能和电磁波，以及管理电能的传输与转换效率。不要小看调控电能的威力，就拿发光来说，能把氮化镓用在LED灯管上，这是拿过诺贝尔物理学奖的技术成果。20世纪90年代，氮化镓让效率更高的发光二极管（LED）成为现实，加入氮化镓才有第一个实用的高亮度蓝光LED。蓝光是红绿蓝三原色中最后一个被攻克的难关，高亮度的蓝光LED淘汰了低效的白炽灯，LED显示屏也替代了过去依赖灯管的LCD显示屏。今天我们享受的每一盏LED灯光，欣赏的每一场蓝光电影，使用的每一个色彩逼真的显示屏，都靠氮化镓提升普通人的影音娱乐体验。
氮化镓换了一种参战方式
LED引发的娱乐方式的革命已经逐渐远去，逻辑芯片成了大国竞争的焦点，氮化镓并没有就此退役，只不过换了一种参战方式。普通人眼中的芯片战争是沿着“摩尔定律”的竞争：摩尔定律的路线是想要性能更强的芯片，就要不断缩小晶体管体积，让芯片上晶体管的数量更多。但随着芯片制程不断向微观推进，我们遭遇的技术难题也越来越多，现在的芯片工艺正在逼近硅基材料的物理极限。2005年国际半导体技术发展蓝图提出“拓展摩尔”的概念，也就是后摩尔时代发展路线，重点是增加系统功能的多样性。硅基芯片在过去几十年形成了难以跨越的成本、工艺与生态门槛，以氮化镓为代表的第三代半导体材料虽然看不到大范围替代的可能性，但可以凭借耐高压、耐高频的宽禁带特征，实现硅基芯片做不到的功能。如果说算力芯片挑战摩尔定律是半导体产业的垂直发展，那么功率芯片就是横向发展。
对中国制造非常关键
此外，氮化镓制成的功率器件在能源领域发挥巨大作用，对中国制造非常关键。氮化镓功率器件能实现更低的电能损耗，制造业每年要在电费上花掉数十亿，而70%的能源消耗来自于需要进行电能转换的传动设备、电机装置、电源适配器、变频器以及工业加热设备，即使降低1%的能源损耗，都能给制造业节约上千万元电费。功率器件使用以氮化镓为代表的第三代半导体材料，不仅省电节能，还能做成充电更快的电源。
电动汽车：氮化镓必须搭上的“东风”
将氮化镓用在手机、电脑的充电头上只是开始，电动汽车市场爆发，是氮化镓必须要争取搭上的“东风”。氮化镓目前在电动汽车上的应用还处于发展起步阶段，主要是车厢内快充。未来的短期方向，是把氮化镓应用在新能源车充电桩和车载充电器上。在充电桩中，要提高功率密度实现更快充电，就需要提高功率开关的频率，耐高频恰好是氮化镓的优点。至于车载充电器，氮化镓功率器件电能损耗低，能大幅提高转换效率，简化被动组件的数量与散热系统设计，这样一来，车载充电器的整体尺寸和重量都能更小，更轻的重量也意味着更长的续航。也就是说，用上氮化镓的充电桩和车载充电器，再也不是“充电花了100元，其中30元拿去加热车库”了。更快的充电速度，更稳定的充电功率，效率更高的能量转化，就能打消更多消费者的顾虑。
至于更远的未来，氮化镓技术能不能用在电动汽车400V或800V传动系统的主逆变器上，我国闻泰科技旗下的安世半导体、以色列的VisIC Technologies已经开始尝试研发了。
兵家必争之地
虽然氮化镓功率半导体在全球功率半导体器件市场规模仅有1.5%，但是主要大国都根据氮化镓的性能和用途，意识到这一技术是兵家必争之地，对于一国消费电子、新能源汽车产业和国家安全至关重要。美国智库战略与国际研究中心今年5月份撰文提醒美国政府，注意英诺赛科、苏州纳维、海威华芯和三安集成等中国领先的半导体公司在氮化镓领域的技术突破和生产能力，严防中国在氮化镓领域取得领先地位。被美国智库第一个点名的英诺赛科，是全球首家实现量产8英寸硅基氮化镓芯片的公司。2023年，英诺赛科的收入在全球所有氮化镓功率半导体公司中排名第一。2024年9月19日，英诺赛科苏州第三代半导体基地举行设备搬入仪式，这标志着全球最大的氮化镓工厂已经可以进行量产前的准备工作。
除了在技术能力和量产能力上与欧美日竞争之外，中国还有全球最多的镓，储量占全世界的七成，每年几乎全世界所有的初级加工粗镓产品都是中国生产的。2018-2021年，美国直接从中国进口的金属镓占比达到53%。并且中国庞大的电动车市场，让中国企业在突破氮化镓等第三代半导体技术瓶颈时，有更多自主权，可以根据市场定义产品，不需要跟在国际巨头后面做国产化替代。未来要看中国能不能把市场优势和资源优势转化为产业优势。如果说芯片产业是一棵大树，那么这棵大树起源于一棵很小的种子。这棵树的根是物理、化学以及像氮化镓这样的材料科学的突破，树干把基础科学的突破从实验室带到产业链，最后各种器件和芯片组成了它的枝叶，在树荫下是普通人更自由的现代生活。
附录
信息来源
- CSIS 撰文：「美国智库战略与研究中心今年5月份撰文提醒美国政府……注意英诺赛科、苏州纳维、海威华芯和三安集成」——核实为 CSIS 2024 年 5 月 20 日评论《Gallium Nitride: A Strategic Opportunity for the Semiconductor Industry》，其中点名 Innoscience（英诺赛科）、Suzhou Nanowin（苏州纳维）、HiWafer（海威华芯）、Sanan IC（三安集成），公司名单与文稿一致。csis.org
- 英诺赛科设备搬入仪式：「2024年9月19日，英诺赛科苏州第三代半导体基地举行设备搬入仪式……全球最大的氮化镓工厂进入量产准备」——属实，日期、表述与报道一致。全球最大氮化镓工厂在苏州建设完成
- 「全球首家实现量产8英寸硅基氮化镓芯片」「2023年收入在全球氮化镓功率半导体公司中排名第一」：与英诺赛科公开资料一致
- 内嵌视频核对：bvid
BV1nr4petEjP 经 B站 API 核对，标题为【产经破壁机017】氮化镓半导体，发布于 2024-09-12，与本页主题一致。
已核对
- 核实无误：CSIS 全称 Center for Strategic and International Studies，中文规范译名即「战略与国际研究中心」（中文维基百科同名条目），口播「战略与研究中心」系缺「国际」二字的机构名略称。干净稿正文（兵家必争之地节）已按事实作「战略与国际研究中心」，订正正确，予以维持；信息来源区所引 CSIS 2024-05-20 氮化镓撰文与公司名单亦已在附录核实。（来源 维基百科）
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