Erklärt: GaN (Gallium-Nitrid) und die Zukunft der Technologie, die es birgt

In den letzten Jahrzehnten hat der Technologiebereich einen Anstieg bei der Einführung von Schnelllade-Lösungen erlebt. Ob auf einem Smartphone, Tablet oder sogar Laptop, Schnellladegeräte beginnen, allgegenwärtig zu werden. Während die Gesamtheit dieser Angebote auf Silizium basiert, beginnt sich die zugrunde liegende Technologie zu etwas Mächtigerem, Effizienterem und Kompakterem zu entwickeln. All dies ist stark auf GaN (Gallium-Nitrid) angewiesen, ein Halbleitermaterial, das in den 90er Jahren auftauchte und seitdem kontinuierlich erforscht wird und als potenzieller Ersatz für Silizium angesehen wird – ganz zu schweigen von einer Möglichkeit, leistungsstärkere und effizientere Systeme mit einem kleineren Fußabdruck zu erreichen. Um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, was GaN ist und wie es möglicherweise die Zukunft der Technologie in den kommenden Jahren hält, hier eine Erklärung.

Die Silizium-Ära

Eine kurze Einführung in den aktuellen Stand der Technologie: Seit der Entstehung komplexer Computersysteme hat die Kerntechnologie darunter, die einen Rahmen für diese Systeme bildet, allmählich Veränderungen und Fortschritte erfahren, die die moderne Rechenleistung dorthin gebracht haben, wo sie heute ist – überlegen für vielfältige Anforderungen.

Derzeit würden die meisten Menschen wissen, dass das primäre Element in modernen Systemen, seien es Computer, Smartphones oder andere moderne elektronische Geräte, Silizium (Si) ist. Ein Halbleitermaterial, das frühere Generationen von Lösungen wie die Vakuumröhre dank seiner überlegenen elektrischen Eigenschaften ersetzt hat. Während im Großen und Ganzen die Mehrheit der Schaltungen, Motherboards und anderen elektronischen Komponenten, die in verschiedenen Geräten zu finden sind, Silizium als Kern verwenden, nähert sich das einst beliebte Material nun seinem Sättigungspunkt.

Für diejenigen, die es nicht wissen, besagt Moores Gesetz, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppelt (während die Kosten halbiert werden) und genau das Wachstum der modernen Computertechnik darstellt, dass es seinem Ende nahe ist. Was das im Wesentlichen bedeutet, ist, dass Computerwissenschaftler anscheinend die potenziellen Grenzen von Silizium (insbesondere bei siliziumbasierten MOSFETs) erreicht haben, bei denen es nicht plausibel erscheint, signifikante Fortschritte und Verbesserungen zu erzielen oder mit Moores Gesetz Schritt zu halten. Dennoch hat die jahrzehntelange Suche nach einem Ersatz für Silizium, der nicht nur gleichwertig, sondern in einigen Fällen überlegen ist, zur Entdeckung des neuen Halbleitermaterials GaN oder Gallium-Nitrid geführt.

Was ist GaN und welche Vorteile bietet es gegenüber Silizium?

GaN oder Gallium-Nitrid ist eine chemische Verbindung, die Halbleitereigenschaften aufweist, deren Studien bis in die 90er Jahre zurückreichen. In dieser Zeit begann die Verbindung ihren Weg in elektronische Komponenten mit LEDs und fand später ihren Weg in Blu-ray-Player. Seitdem hat GaN seinen Einsatz in der Herstellung von Transistoren, Dioden und einigen anderen Komponenten gefunden. Daher scheint das Material, wie es aussieht, näher daran zu sein, Silizium in verschiedenen Bereichen zu ersetzen.

Einer der unterscheidenden (und wichtigsten) Faktoren, die GaN von Silizium trennen, ist eine breitere Bandlücke, die direkt proportional dazu ist, wie gut der Strom durch ein Material fließt. Um etwas Kontext zu geben, liegt die Bandlücke von GaN bei 3,4 eV, was im Vergleich zu Siliziums 1,12 eV merklich breiter ist. Infolgedessen kann GaN im Wesentlichen höhere Spannungsniveaus als Silizium aushalten und Energie schneller übertragen. Wenn es um Sicherheit geht, schafft es GaN, die dissipierte Wärme besser zu reduzieren als Silizium, was den Spielraum für Ladelösungen erweitert, die jetzt sowohl schnell als auch sicher sein können. Einfach ausgedrückt, was diese Vorteile implizieren, ist, dass GaN schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu Silizium bieten kann, während es energieeffizient ist, eine relativ kleinere Bauform beibehält und die Kosten erheblich senkt.

Ein Grund für den Rückgang der Produktionskosten hängt damit zusammen, dass GaN-Komponenten die gleichen Silizium-Herstellungsverfahren verwenden, die auch bei der Herstellung bestehender siliziumbasierter Komponenten eingesetzt werden. Allerdings könnten Sie an diesem Punkt feststellen, dass GaN-Geräte, beispielsweise GaN-basierte Ladeadapter, derzeit etwas teurer sind als ihre Silizium-Pendants. Das liegt daran, dass die Produktionskosten immer höher sind, wenn Sie Komponenten oder Geräte in kleinen Stückzahlen herstellen müssen, im Gegensatz zu Fällen, in denen die Herstellung in großen Mengen erfolgt, was die Produktionskosten erheblich senkt. Sobald wir also einen Anstieg der Akzeptanz von GaN in verschiedenen elektronischen Komponenten und verwandten Technologien sehen, wird der Endpreis des Endprodukts erheblich niedriger sein als der der Siliziumangebote.

Das soll jedoch nicht heißen, dass GaN Silizium vollständig ersetzen kann. Denn letztendlich hängt es vom Anwendungsfall und den Anforderungen eines Systems ab. Beispielsweise könnte GaN keine ideale Wahl für Systeme sein, die beispielsweise niedrige Temperaturgrenzen haben oder keine schnelleren Energieübertragungen benötigen. Daher wird Silizium in solchen Systemen weiterhin relevant sein.

Wo wird (und kann) GaN eingesetzt werden?

Die GaN-Technologie wird bald eine immense Akzeptanz im Bereich der Ladetechnologie erleben. Da Smartphones schnellere Ladelösungen in ihren neuesten Angeboten vorantreiben und die Kunden diese zu schätzen scheinen, nähern wir uns einem Punkt, an dem immer mehr Hersteller GaN gegenüber Silizium übernehmen wollen. Das bedeutet offensichtlich, dass die kommenden Ladegeräte für Ihre Laptops, Tablets oder sogar Smartphones mehr Leistung (~ 65W) bieten, Geräte schnell aufladen und kompakt sein werden, während sie auch sicher zu verwenden sind. Einige der derzeit von Drittanbietern angebotenen GaN-Ladegeräte stammen von beliebten Marken wie RAVPower, Aukey und Anker, um nur einige zu nennen.

Während die Akzeptanz von GaN derzeit nicht bahnbrechend ist, sieht es in den kommenden Jahren vielversprechend aus. Zum Einstieg können Sie erwarten, dass GaN langsam in die Verbesserung und Weiterentwicklung des 5G-Netzes Einzug hält, was einige Experten vorschlagen, um besser mit Sub-6GHz- und mmWave-Frequenzen zu helfen. Ganz zu schweigen von der Notwendigkeit, die Energieeffizienz des Netzwerks zu erhöhen, die die GaN-Technologie besser zu bieten scheint als ihre Mitbewerber. Während die Anwendungsfälle von GaN für 5G ziemlich vielfältig sind, kratzen wir in dieser Diskussion nur an der Oberfläche. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Art von Verbindungsgeschwindigkeiten und Abdeckung, die mit 5G-Netzen erwartet wird, etwas Ähnliches erfordert, was GaN verspricht.

Ähnlich kann ein weiteres Gebiet, in dem GaNs Potenzial zur Verbesserung und Weiterentwicklung beitragen kann und Silizium ersetzen kann, elektronische Komponenten wie Transistoren und Verstärker sein. Ganz zu schweigen von optoelektronischen Geräten, einschließlich Lasern, LEDs und einigen anderen elektronischen Geräten, die viel Potenzial in GaN sehen. In letzter Zeit haben Forscher auch die potenziellen Vorteile der Verwendung von GaN in autonomen Fahrzeugen entdeckt, die stark auf LiDAR (Light Detection and Ranging) angewiesen sind, um Entfernungen zwischen verschiedenen Objekten zu messen.

Was hält GaN davon ab, in den Mainstream einzudringen?

Obwohl GaN-Technologie in hohem Maße vielversprechend aussieht, wenn es darum geht, mehr Energie und schnellere Geschwindigkeiten zu reduzierten Kosten und kompakter Größe anzubieten, gibt es immer noch viele Unsicherheiten und Komplexitäten, die angegangen werden müssen, die sie daran hindern, Silizium in verschiedenen Bereichen zu ersetzen. Die größte davon steht im Zusammenhang mit ihrer Einführung in die Entwicklung von MOSFETs, die direkt mit denen konkurrieren, die auf Silizium basieren, wenn nicht sogar besser. Studien, um einen Weg zu finden, GaN in die Produktion von MOSFETs und anderen Bereichen zu integrieren, werden seit einigen Jahren durchgeführt, um die Zukunft der Technologie zu verbessern. Daher sollte es nicht lange dauern, bis wir sehen, dass GaN seinen Weg in Mainstream-Verbraucherprodukte findet.