Вступление в эру GaN

Галлий-нитрид (GaN) готов заменить кремний в качестве доминирующей технологии силовых полупроводников в течение следующих 10-15 лет, меняя облик электроники.

Развитие электроники всегда основывалось на снижении размеров, веса и повышении производительности. Сегодня к этим факторам добавляется стремление к максимальной эффективности, обусловленное рыночными требованиями и нормативами в области устойчивого развития. Именно в этом контексте GaN привлекает всё больше внимания в мире силовых полупроводников. Но насколько далеко может зайти эта технология и как быстро она изменит отрасль?

В отличие от общего рынка полупроводников, который сократился на 8,2% в 2023 году, доходы от продаж силовых полупроводников на основе GaN выросли на 41%, согласно данным Yole Group. Ожидается, что рост останется устойчивым: прогнозируется увеличение на 45% в 2024 году и на 65% в 2025 году. Аналитики оценивают среднегодовой темп роста (CAGR) для GaN-устройств в диапазоне от 30% до 50% в течение десятилетия, а объём рынка может достигнуть $5 миллиардов к 2032 году.

Такие разносторонние прогнозы отражают быстрое развитие технологий GaN. Усовершенствования в характеристиках, инвестиции в производство, слияния компаний и даже правовые споры делают долгосрочные прогнозы сложными. Однако очевидно одно: GaN уже оказывает значительное влияние и находится на пороге огромного роста.

Почему GaN может заменить кремний

Привлекательность GaN заключается в его эффективности. Транзисторы GaN (HEMTs) работают с минимальными потерями, демонстрируя показатель качества (FoM), в 10 раз превышающий показатели кремния. Это позволяет создавать более компактные и эффективные преобразователи энергии.

Более того, устройства на основе GaN часто изготавливаются на кремниевых подложках, что позволяет использовать существующие производственные технологии, в отличие от карбида кремния (SiC), который требует другого оборудования и более высоких температур обработки.

Современные интегральные схемы (ИС) на основе GaN стали проще в использовании. В отличие от ранних версий, сегодняшние устройства интегрируют драйверы и защитные функции, что устраняет необходимость в специализированных инженерных знаниях. Это позволяет разработчикам использовать преимущества технологии без кардинального изменения методов проектирования.

Простор для развития

На данный момент ИС на основе GaN позволяют уменьшить размеры источников питания на 50% при эффективности свыше 95%. Однако устройства на базе GaN работают далеко не на пределе своих теоретических возможностей по сопротивлению и напряжению пробоя. Это открывает значительные перспективы для дальнейшей оптимизации, особенно в снижении размеров кристаллов и потерь. Иными словами, развитие GaN только начинается.

Вклад в устойчивость

В условиях современного акцента на устойчивое развитие технологии на основе GaN становятся важным инструментом в борьбе за снижение углеродного следа. Высокая эффективность преобразования энергии, присущая GaN, не только способствует значительному сокращению потерь энергии, но и позволяет оптимизировать использование природных ресурсов.

Это делает технологии на основе GaN ключевым решением в решении экологических проблем, помогая уменьшить воздействие на окружающую среду и обеспечить более рациональное использование энергии. Такой подход отвечает глобальным задачам по сохранению экосистемы и созданию более устойчивого будущего.

Вопрос стоимости

Несмотря на то что интегральные схемы на основе GaN в настоящее время стоят дороже кремниевых аналогов, общая стоимость системы может быть значительно ниже благодаря ряду преимуществ. Использование GaN снижает необходимость в сложных системах терморегулирования, упрощает конструкции и уменьшает количество магнитных компонентов, что в итоге оптимизирует затраты.

Кроме того, с ростом объёмов производства и переходом на использование пластин большего диаметра — сначала 200 мм, а затем 300 мм — ожидается существенное снижение стоимости GaN-компонентов. Это не только усилит их конкурентоспособность, но и сделает технологию более доступной для широкого применения в различных отраслях.

Разрушительная сила

Технология GaN по праву считается разрушительной, меняя устоявшиеся подходы к электронике. Первоначальные ограничения, связанные с её способностью выдерживать высокие токи и температуры, по сравнению с SiC, постепенно устраняются благодаря постоянным достижениям в области разработки.

Сегодня транзисторы GaN с минимальным сопротивлением, измеряемым в миллиомах, уже успешно используются в приложениях с мощностью до нескольких киловатт. Эти показатели свидетельствуют о значительном прогрессе, а дальнейшие усовершенствования обещают ещё больше расширить потенциал этой технологии.

Особое внимание уделяется и надёжности компонентов на основе GaN. Интегральные схемы становятся всё более соответствующими строгим требованиям долгосрочных приложений, рассчитанных на срок службы более десяти лет. Разработка самозащищённых решений, таких как концепция ICeGaN от CGD, устраняет уязвимые места и обеспечивает высокую надёжность, делая GaN идеальным выбором для критически важных систем. Эти достижения подчеркивают перспективность GaN как ключевого элемента будущей электроники, обеспечивая её эффективность и долговечность в самых требовательных условиях.

Расширение рынков

Применение GaN охватывает всё больше отраслей. Изначально популярный в компактных зарядных устройствах USB-PD для смартфонов, GaN теперь используется для создания компактных и эффективных решений в более мощных приложениях, таких как ноутбуки, бытовая техника и промышленное оборудование. Рынок зарядных устройств на основе GaN, по прогнозам, вырастет с $0,2 миллиарда в 2023 году до более чем $1 миллиарда к 2032 году, с CAGR более 20%.

В секторе электротранспорта GaN используется для зарядных устройств электровелосипедов и электросамокатов, а также в автомобильных приложениях, таких как бортовые зарядные устройства и преобразователи DC-DC. Для электромобилей (BEV) лёгкость и компактность GaN делают его всё более привлекательным для систем управления энергией.

Дата-центры, которые сталкиваются с растущими энергетическими потребностями из-за ИИ-нагрузок, также обращаются к GaN для эффективного распределения энергии. С учётом того, что стойки могут требовать до 200 кВт мощности, GaN становится незаменимым в этом секторе благодаря своей способности оптимизировать пространство и эффективность.

Приложения в области возобновляемой энергии, включая инверторы для солнечных и ветровых электростанций, представляют ещё одну зону роста для GaN. По мере масштабирования технологии для работы с большей мощностью ожидается рост её применения в этих рынках.

Эра GaN наступила

Потенциал технологии GaN становится всё более очевидным в обеспечении энергией самых разных аспектов современной жизни. Эта технология уже сегодня демонстрирует выдающуюся эффективность, находя применение в самых разнообразных устройствах и системах — от компактных зарядных устройств для портативной электроники до мощного промышленного оборудования, дата-центров и решений в области возобновляемой энергетики. Благодаря своей высокой эффективности и способности минимизировать потери, GaN выступает как оптимальное решение для передачи энергии в самых требовательных условиях.

С каждым новым шагом отрасль продолжает преодолевать технические барьеры, открывая всё больше возможностей для использования этой революционной технологии. GaN не только расширяет горизонты своих применений, но и задаёт новый стандарт в энергетике, постепенно превращая "кремниевую эпоху" в "эру GaN". Настало время присоединиться к этой революции и стать частью будущего, где эффективность, надёжность и устойчивость будут играть ключевую роль.