อธิบาย: GaN (แกลเลียมไนไตรด์) และอนาคตของเทคโนโลยีที่เห็น

ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา พื้นที่ด้านเทคโนโลยีได้รับการกระตุ้นในการใช้โซลูชันการชาร์จอย่างรวดเร็ว ไม่ว่าจะเป็นบนสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต หรือแม้แต่แล็ปท็อป ที่ชาร์จแบบเร็วเริ่มแพร่หลายไปทั่ว ในขณะที่ข้อเสนอเหล่านี้ทั้งหมดเป็นแบบซิลิคอน เทคโนโลยีพื้นฐานเริ่มที่จะพัฒนาไปสู่สิ่งที่ทรงพลัง มีประสิทธิภาพ และกะทัดรัดยิ่งขึ้น ทั้งหมดนี้พึ่งพา GaN (แกลเลียมไนไตรด์) อย่างมาก ซึ่งเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เห็นการเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 90 และตั้งแต่นั้นมา ก็ได้รับการวิจัยอย่างต่อเนื่องและถูกมองว่าสามารถทดแทนซิลิคอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ต้องพูดถึง วิธีที่จะบรรลุผลสำเร็จ ระบบที่ทรงพลังและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นด้วยขนาดที่เล็กกว่า เพื่อให้เข้าใจมากขึ้นว่า GaN คืออะไรและจะรักษาอนาคตของเทคโนโลยีได้อย่างไรในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ต่อไปนี้คือคำอธิบาย

ยุคซิลิคอน

การเริ่มต้นอย่างรวดเร็วเกี่ยวกับสถานะปัจจุบันของเทคโนโลยี: นับตั้งแต่การเริ่มระบบคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อน เทคโนโลยีหลักที่อยู่ด้านล่างซึ่งเป็นกรอบสำหรับระบบเหล่านี้ ค่อยๆ มองเห็นการเปลี่ยนแปลงและความก้าวหน้าที่นำพลังการประมวลผลที่ทันสมัยมาสู่ที่ที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน — ถือสูงสุดสำหรับความต้องการที่หลากหลาย

ในปัจจุบัน คนส่วนใหญ่คงทราบดีอยู่แล้วว่าสิ่งจำเป็นหลักในระบบสมัยใหม่ ไม่ว่าจะเป็นคอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่อื่นๆ คือซิลิคอน (Si) วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มาแทนที่โซลูชันรุ่นก่อนๆ เช่น หลอดสุญญากาศ ด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า ในขณะที่วงจร มาเธอร์บอร์ด และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ส่วนใหญ่ที่พบในอุปกรณ์ต่างๆ ส่วนใหญ่ใช้ซิลิคอนเป็นแกนหลัก แต่วัสดุที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นที่นิยมก็เข้าใกล้จุดอิ่มตัวมากขึ้น

สำหรับผู้ที่ไม่รู้ตัว กฎของมัวร์ ซึ่งแนะนำว่าจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปเซ็ตเป็นสองเท่าทุก ๆ สองปี (ในขณะที่ต้นทุนลดลงครึ่งหนึ่ง) และแสดงให้เห็นถึงการเติบโตของการคำนวณสมัยใหม่อย่างแม่นยำนั้นใกล้จะสิ้นสุดแล้ว ความหมายโดยนัยสำคัญก็คือ ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ดูเหมือนจะบรรลุขีดจำกัดศักยภาพของซิลิคอนแล้ว (โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ MOSFET ที่ใช้ซิลิคอน) ซึ่งดูเหมือนว่าจะไม่น่าจะนำความก้าวหน้าและการปรับปรุงที่สำคัญมาสู่ตารางหรือจับคู่กับของมัวร์ กฎ. อย่างไรก็ตาม การสืบเสาะหาทางเลือกอื่นแทนซิลิคอนเป็นเวลานาน ซึ่งไม่ใช่แค่ในระดับที่เท่าเทียม แต่ยังเหนือกว่าในบางกรณี ได้นำไปสู่การค้นพบวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่ GaN หรือแกลเลียมไนไตรด์

GaN คืออะไรและมีข้อดีอะไรเหนือซิลิคอน?

GaN หรือแกลเลียมไนไตรด์เป็นสารประกอบทางเคมีที่แสดงคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นการศึกษาย้อนหลังไปถึงยุค 90 ในช่วงเวลานั้น สารประกอบเริ่มการเดินทางสู่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ด้วยไฟ LED และต่อมาก็พบทางเข้าสู่เครื่องเล่น Blu-ray ตั้งแต่นั้นมา GaN ก็พบว่ามีการใช้งานในการผลิตทรานซิสเตอร์ ไดโอด และส่วนประกอบอื่นๆ อีกสองสามอย่าง ดังนั้นจากสิ่งที่ปรากฏ ดูเหมือนว่าวัสดุจะเข้าใกล้เพื่อแทนที่ซิลิคอนในแนวดิ่งต่างๆ

ปัจจัยที่แตกต่าง (และสำคัญที่สุด) ประการหนึ่งที่แยก GaN ออกจากซิลิคอนคือช่องว่างระหว่างแถบที่กว้างกว่า ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวัสดุได้ดีเพียงใด เพื่อให้บริบทบางอย่าง bandgap ที่ GaN นำเสนอนั้นอยู่ที่ 3.4 eV ซึ่งเมื่อเทียบกับ 1.12 eV ของ Silicon นั้นกว้างกว่าอย่างเห็นได้ชัด เป็นผลให้ GaN สามารถจัดการให้ทนต่อระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าซิลิคอนและสามารถถ่ายโอนพลังงานด้วยความเร็วที่เร็วขึ้น เมื่อพูดถึงเรื่องความปลอดภัย GaN สามารถลดความร้อนที่กระจายออกไปได้ดีกว่าซิลิคอน ซึ่งจะขยายขอบเขตสำหรับโซลูชันการชาร์จซึ่งขณะนี้สามารถทำได้ทั้งรวดเร็วและปลอดภัย พูดง่ายๆ ข้อดีเหล่านี้บอกเป็นนัยว่า GaN สามารถให้ความเร็วในการประมวลผลที่เร็วกว่าซิลิคอน ในขณะที่ประหยัดพลังงาน รักษาฟอร์มแฟคเตอร์ที่ค่อนข้างเล็กลง และทำให้ต้นทุนต่ำลง

สาเหตุที่ทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงนั้นเกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าส่วนประกอบ GaN จะใช้ขั้นตอนการผลิตซิลิกอนแบบเดียวกับที่ใช้ในการผลิตส่วนประกอบที่ใช้ซิลิคอนที่มีอยู่สำหรับการผลิต แม้ว่า ณ จุดนี้ คุณอาจสังเกตเห็นว่าอุปกรณ์ GaN เช่น อะแดปเตอร์ชาร์จที่ใช้ GaN มีราคาสูงกว่าอุปกรณ์ซิลิคอนเล็กน้อย ที่เป็นเช่นนี้เพราะว่าต้นทุนการผลิตมักจะอยู่ในระดับสูงเสมอเมื่อคุณต้องผลิตส่วนประกอบหรืออุปกรณ์ในปริมาณน้อย เมื่อเทียบกับกรณีที่การผลิตเกิดขึ้นเป็นจำนวนมาก ซึ่งจะทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงอย่างมาก ดังนั้น เมื่อเราเริ่มเห็นการเพิ่มขึ้นของการนำ GaN ไปใช้ในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องต่างๆ ต้นทุนขั้นสุดท้ายของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะต่ำกว่าข้อเสนอของซิลิคอนอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม นั่นไม่ได้หมายความว่า GaN สามารถแทนที่ซิลิคอนทั้งหมดได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากในตอนท้าย จะสรุปถึงสถานการณ์การใช้งานและความต้องการของระบบ ตัวอย่างเช่น GaN อาจไม่ใช่ตัวเลือกในอุดมคติสำหรับระบบที่มีขีดจำกัดอุณหภูมิต่ำหรือไม่ต้องการการถ่ายโอนพลังงานที่เร็วขึ้น ดังนั้นซิลิคอนจะยังคงมีความเกี่ยวข้องในระบบดังกล่าว

GaN ใช้ที่ไหน (และสามารถเป็นได้)

เทคโนโลยี GaN กำลังจะได้เห็นการนำไปใช้อย่างมากในพื้นที่เทคโนโลยีการชาร์จ ในขณะที่สมาร์ทโฟนผลักดันโซลูชันการชาร์จที่เร็วขึ้นในข้อเสนอล่าสุดของพวกเขา และดูเหมือนว่าลูกค้าจะชื่นชอบพวกเขา เราก็เข้าใกล้จุดที่ผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ มองหาการนำ GaN มาใช้บนซิลิคอน นี่หมายความว่าที่ชาร์จสำหรับแล็ปท็อป แท็บเล็ต หรือแม้แต่สมาร์ทโฟนที่กำลังจะมีขึ้นใหม่จะให้พลังงานมากกว่า (~ 65W) ชาร์จอุปกรณ์ได้อย่างรวดเร็ว และมีขนาดที่กะทัดรัด ในขณะที่ยังใช้งานได้อย่างปลอดภัย ที่ชาร์จแบบ GaN บางตัวที่มีจำหน่ายในปัจจุบันจากผู้ผลิตอุปกรณ์เสริมที่เป็นบุคคลที่สาม ได้แก่ ที่ชาร์จจากแบรนด์ยอดนิยมอย่าง RAVPower, Aukey และ Anker เป็นต้น

ในขณะที่ปัจจุบันการนำ GaN มาใช้นั้นไม่ได้แปลกใหม่ แต่ก็มีแนวโน้มที่ดีในปีต่อ ๆ ไป สำหรับผู้เริ่มต้น คุณสามารถคาดหวังให้ GaN ค่อยๆ ก้าวไปสู่ความก้าวหน้าและการปรับปรุงเครือข่าย 5G ซึ่งผู้เชี่ยวชาญบางคนแนะนำว่าสามารถช่วยได้ดีขึ้นด้วยความถี่ sub-6GHz และ mmWave ไม่ต้องพูดถึงความจำเป็นในการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานของเครือข่าย ซึ่งดูเหมือนว่าเทคโนโลยี GaN จะให้ได้ดีกว่าคู่แข่ง แม้ว่ากรณีการใช้งาน 5G ของ GaN จะค่อนข้างหลากหลาย แต่เราแทบจะไม่ได้พูดถึงประเด็นนี้เลยในการสนทนานี้ อย่างไรก็ตาม เป็นมูลค่าการกล่าวขวัญว่าประเภทของความเร็วในการเชื่อมต่อและความครอบคลุมที่คาดว่าจะใช้กับเครือข่าย 5G นั้นต้องการบางสิ่งที่คล้ายคลึงกันตามที่ GaN สัญญาไว้

ในทำนองเดียวกัน โดเมนอื่นที่มีศักยภาพของ GaN สามารถช่วยในการปรับปรุงและความก้าวหน้า และในทางกลับกัน แทนที่ซิลิคอน คือส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ทรานซิสเตอร์และแอมพลิฟายเออร์ ไม่ต้องพูดถึงอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เลเซอร์ ไฟ LED และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ อีกสองสามตัว ซึ่งเห็นศักยภาพมากมายใน GaN ในช่วงไม่กี่ครั้งที่ผ่านมา นักวิจัยยังได้ค้นพบข้อดีที่เป็นไปได้ของการใช้ GaN ในรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติ ซึ่งอาศัย LiDAR (Light Detection and Ranging) เป็นอย่างมากในการวัดระยะทางระหว่างวัตถุต่างๆ

อะไรขัดขวางไม่ให้ GaN เข้าสู่กระแสหลัก?

ในขณะที่ในระดับที่สูงขึ้น เทคโนโลยี GaN มีแนวโน้มที่ดีอย่างแน่นอนเมื่อพูดถึงการจัดหาพลังงานและความเร็วที่เร็วขึ้นด้วยต้นทุนที่ลดลงและขนาดที่กะทัดรัด แต่ก็ยังมีความไม่แน่นอนและความซับซ้อนอีกมากที่ต้องแก้ไข ซึ่งทำให้ไม่สามารถเปลี่ยนได้ ซิลิคอนในแนวดิ่งต่างๆ ที่ใหญ่ที่สุดที่เกี่ยวข้องกับการยอมรับในการพัฒนา MOSFET ที่แข่งขันแบบตัวต่อตัวถ้าไม่ดีกว่าที่ขึ้นอยู่กับซิลิคอน อย่างไรก็ตาม การศึกษาเพื่อหาวิธีที่จะทำให้ GaN เข้าสู่การผลิต MOSFET และสาขาอื่นๆ กำลังดำเนินการอยู่เพื่อปรับปรุงอนาคตของเทคโนโลยีในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ดังนั้นจึงไม่ควรนานก่อนที่เราจะเริ่มเห็น GaN เข้าสู่สินค้าอุปโภคบริโภคหลัก