Erklärt: GaN (Galliumnitrid) und die Zukunft der Technologie, die es sieht

In den letzten Jahrzehnten hat der Technologiebereich einen Schub bei der Einführung von Schnellladelösungen erlebt. Ob auf einem Smartphone, Tablet oder sogar Laptop, Schnellladegeräte werden allgegenwärtig. Während die Gesamtheit dieser Angebote auf Silizium basiert, beginnt sich die zugrunde liegende Technologie zu etwas Leistungsstärkerem, Effizienterem und Kompakterem zu entwickeln. All dies ist in hohem Maße auf GaN (Galliumnitrid) angewiesen, ein Halbleitermaterial, das bereits in den 90er Jahren auftauchte und seitdem kontinuierlich erforscht und als potenzieller Ersatz für Silizium angesehen wird – ganz zu schweigen von einem Weg, dies zu erreichen leistungsstärkere und effizientere Systeme mit geringerem Platzbedarf. Um besser zu verstehen, was GaN ist und wie es möglicherweise die Zukunft der Technologie in den kommenden Jahren birgt, finden Sie hier eine Erklärung.

Das Silicon-Zeitalter

Eine kurze Einführung in den aktuellen Stand der Technik: Seit der Einführung komplexer Computersysteme hat die zugrunde liegende Kerntechnologie, die einen Rahmen für diese Systeme bildet, allmählich Änderungen und Fortschritte erfahren, die die moderne Rechenleistung dorthin gebracht haben, wo sie heute ist – hält souverän für vielfältige Anforderungen.

Gegenwärtig ist den meisten Menschen bewusst, dass Silizium (Si) das wichtigste Element in modernen Systemen ist, seien es Computer, Smartphones oder andere moderne elektronische Geräte. Ein Halbleitermaterial, das dank seiner überlegenen elektrischen Eigenschaften Lösungen früherer Generationen wie die Vakuumröhre ersetzte. Während im Allgemeinen die Mehrheit der Schaltkreise, Motherboards und anderer elektronischer Komponenten, die in verschiedenen Geräten zu finden sind, Silizium im Kern verwenden, nähert sich das einst beliebte Material nun seinem Sättigungspunkt.

Für diejenigen, die es nicht wissen, nähert sich das Mooresche Gesetz, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chipsatz alle zwei Jahre verdoppelt (während sich die Kosten halbieren), und das Wachstum der modernen Computer genau abbildet, seinem Ende. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass Informatiker derzeit die potenziellen Grenzen von Silizium (insbesondere bei Silizium-basierten MOSFETs) erreicht zu haben scheinen, wobei es nicht plausibel erscheint, signifikante Fortschritte und Verbesserungen auf den Tisch zu bringen oder mit Moores mitzuhalten Gesetz. Die jahrzehntelange Suche nach einer Alternative zu Silizium, das nicht nur ebenbürtig, sondern in einigen Fällen überlegen ist, hat jedoch zur Entdeckung eines neuen Halbleitermaterials, GaN oder Galliumnitrid, geführt.

Was ist GaN und welche Vorteile hat es gegenüber Silizium?

GaN oder Galliumnitrid ist eine chemische Verbindung mit Halbleitereigenschaften, deren Studien bis in die 90er Jahre zurückreichen. Während dieser Zeit begann die Verbindung ihre Reise in elektronische Komponenten mit LEDs und fand später ihren Weg in Blu-ray-Player. Seitdem hat GaN seine Verwendung in der Herstellung von Transistoren, Dioden und einigen anderen Komponenten gefunden. Und daher scheint das Material, so wie es scheint, immer näher zu kommen, um Silizium in verschiedenen Branchen zu ersetzen.

Einer der unterscheidenden (und wichtigsten) Faktoren, die GaN von Silizium unterscheiden, ist eine breitere Bandlücke, die direkt proportional dazu ist, wie gut die Elektrizität durch ein Material fließt. Um etwas Kontext zu geben: Die von GaN gebotene Bandlücke liegt bei 3,4 eV, was im Vergleich zu den 1,12 eV von Silizium deutlich größer ist. Infolgedessen kann GaN im Wesentlichen höhere Spannungspegel als Silizium aushalten und Energie mit höheren Geschwindigkeiten übertragen. In puncto Sicherheit gelingt es GaN, die Verlustwärme besser zu reduzieren als Silizium, was den Spielraum für Ladelösungen, die jetzt sowohl schnell als auch sicher sein können, weiter erweitert. Einfach ausgedrückt implizieren diese Vorteile, dass GaN schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten als Silizium bieten kann, während es energieeffizient ist, einen relativ kleineren Formfaktor beibehält und die Kosten viel niedriger hält.

Ein Grund für den Rückgang der Produktionskosten hat mit der Tatsache zu tun, dass GaN-Komponenten die gleichen Siliziumherstellungsverfahren verwenden werden, die bei der Herstellung bestehender Silizium-basierter Komponenten für ihre Produktion verwendet werden. Allerdings werden Sie an dieser Stelle vielleicht feststellen, dass GaN-Geräte, beispielsweise GaN-basierte Ladeadapter, derzeit etwas teurer sind als ihre Silizium-Pendants. Dies liegt daran, dass die Herstellungskosten immer höher sind, wenn Sie Komponenten oder Geräte in kleinen Stückzahlen produzieren müssen, im Gegensatz zu Fällen, in denen die Herstellung in großen Mengen erfolgt, was die Produktionskosten erheblich senkt. Sobald wir also beginnen, eine zunehmende Einführung von GaN in verschiedenen elektronischen Komponenten und verwandten Technologien zu sehen, wären die Endkosten des Endprodukts erheblich niedriger als die der Angebote von Silicon.

Das heißt jedoch nicht, dass GaN Silizium ohne Weiteres vollständig ersetzen kann. Denn am Ende kommt es auf das Anwendungsszenario und die Anforderungen an ein System an. Beispielsweise ist GaN möglicherweise keine ideale Wahl für Systeme, die beispielsweise Tieftemperaturgrenzen haben oder keine schnelleren Energieübertragungen erfordern. Und deshalb wird Silizium in solchen Systemen immer noch relevant sein.

Wo wird (und kann) GaN eingesetzt?

Die GaN-Technologie wird bald eine immense Akzeptanz im Bereich der Ladetechnologie erleben. Da Smartphones bei ihren neuesten Angeboten schnellere Ladelösungen vorantreiben und die Kunden sie zu schätzen scheinen, nähern wir uns einem Punkt, an dem immer mehr Hersteller versuchen, GaN gegenüber Silizium einzusetzen. Das bedeutet natürlich, dass die kommenden Ladegeräte für Ihre Laptops, Tablets oder sogar Smartphones mehr Leistung (~ 65 W) bieten, Geräte schnell aufladen und eine kompakte Größe haben, während sie gleichzeitig sicher in der Anwendung sind. Einige der GaN-basierten Ladegeräte, die derzeit von Zubehörherstellern von Drittanbietern erhältlich sind, umfassen die von bekannten Marken wie RAVPower, Aukey und Anker, um nur einige zu nennen.

Während die Einführung von GaN derzeit nicht bahnbrechend ist, sieht sie für die kommenden Jahre sicherlich vielversprechend aus. Für den Anfang können Sie davon ausgehen, dass GaN langsam seinen Weg in die Weiterentwicklung und Verbesserung des 5G-Netzwerks finden wird, das nach Ansicht einiger Experten bei Sub-6-GHz- und mmWave-Frequenzen besser helfen kann. Ganz zu schweigen von der Notwendigkeit, die Energieeffizienz des Netzwerks zu erhöhen, was die GaN-Technologie besser zu bieten scheint als ihre Pendants. Obwohl der Anwendungsfall von GaN für 5G ziemlich vielfältig ist, kratzen wir in dieser Diskussion kaum an der Oberfläche. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Art von Verbindungsgeschwindigkeiten und Abdeckung, die mit 5G-Netzen erwartet wird, etwas Ähnliches erfordert, wie es GaN verspricht.

In ähnlicher Weise sind elektronische Komponenten wie Transistoren und Verstärker ein weiterer Bereich, in dem das Potenzial von GaN zur Verbesserung und Weiterentwicklung beitragen und Silizium ersetzen kann. Ganz zu schweigen von optoelektronischen Geräten, einschließlich Lasern, LEDs und einigen anderen elektronischen Geräten, die in GaN viel Potenzial sehen. In jüngster Zeit haben Forscher auch die potenziellen Vorteile der Verwendung von GaN in autonomen Autos herausgefunden, die sich stark auf LiDAR (Light Detection and Ranging) verlassen, um Entfernungen zwischen verschiedenen Objekten zu messen.

Was hält GaN davon ab, seinen Weg in den Mainstream zu finden?

Während die GaN-Technologie in größerem Maße sicherlich vielversprechend aussieht, wenn es darum geht, mehr Energie und höhere Geschwindigkeiten bei reduzierten Kosten und kompakter Größe anzubieten, gibt es noch viele Unsicherheiten und Komplexitäten, die angegangen werden müssen, die sie von einem Ersatz abhalten Silizium in verschiedenen Branchen. Die größte davon hängt mit der Einführung in die Entwicklung von MOSFETs zusammen, die Kopf an Kopf konkurrieren, wenn nicht sogar besser, als die auf Silizium basierenden. In den letzten Jahren wurden jedoch Studien durchgeführt, um einen Weg zu finden, GaN in die Herstellung von MOSFETs und anderen Bereichen zu bringen, um die Zukunft der Technologie zu verbessern. Es sollte also nicht lange dauern, bis wir sehen, wie GaN seinen Weg in Mainstream-Verbraucherprodukte findet.