Galliumnitride (GaN): de halfgeleider achter kleinere laders en helderder licht

Galliumnitride, vaak afgekort tot GaN, is een kristalmateriaal dat in steeds meer elektronica de rol overneemt van het decennialang dominante silicium. Waar silicium de basis vormt van vrijwel elke chip in uw telefoon of laptop, is GaN een halfgeleider met andere eigenschappen: het kan elektrische stroom efficiënter schakelen bij hogere spanningen en frequenties. Het gevolg merkt u wellicht al zonder het te weten: de compacte oplader die tegenwoordig bij nieuwe telefoons of laptops wordt geleverd, is vaak een derde kleiner dan vijf jaar geleden — en dat komt bijna altijd door een GaN-chip binnenin, vergelijkbaar met het verschil tussen een dikke, trage tuinslang en een dunne brandweerslang die toch meer water per seconde doorlaat.

GaN is niet nieuw. Het materiaal wordt al sinds de jaren negentig gebruikt om fel blauw en wit licht te maken in ledlampen, en sinds de jaren 2000 in radar- en communicatieapparatuur. Wat de afgelopen vijf jaar veranderde, is dat GaN betaalbaar en betrouwbaar genoeg werd om ook in consumentenelektronica zoals laders en versterkers te verschijnen, en dat het nu voorzichtig wordt onderzocht voor zwaardere toepassingen zoals elektrische auto's. Dit artikel legt uit wat het materiaal is, wat men ermee wil bereiken, en hoever de techniek werkelijk is — los van de marketingclaims op doosjes van telefoonladers.

Wat is het precies?

Galliumnitride is een verbinding van twee elementen: gallium, een zacht metaal dat vrijwel nooit in zuivere vorm in de natuur voorkomt maar als bijproduct van aluminium- en zinkproductie wordt gewonnen, en stikstof. Samen vormen ze een kristal met een regelmatige atomaire structuur, enigszins vergelijkbaar met hoe silicium- of koolstofatomen (zoals in diamant) een rooster vormen. Fabrikanten laten dit kristal laagje voor laagje groeien op een drager — meestal silicium, soms saffier of siliciumcarbide — in een proces dat epitaxie heet: het gecontroleerd laten opgroeien van atoomlagen bij hoge temperatuur.

Het belangrijkste verschil met silicium zit in de zogeheten bandgap: de hoeveelheid energie die een elektron nodig heeft om van een gebonden toestand naar een vrij bewegende, stroomgeleidende toestand te springen. GaN heeft een veel grotere bandgap dan silicium (ongeveer 3,4 elektronvolt tegenover 1,1). Dat klinkt abstract, maar het betekent concreet dat een GaN-component veel hogere spanningen aankan voordat hij doorslaat, en dat elektronen zich er sneller doorheen kunnen bewegen. Het resultaat: transistors — de elektronische schakelaars die stroom aan- en uitzetten — kunnen in GaN miljoenen keren per seconde schakelen zonder veel energie te verspillen als warmte.

Dat ene materiaal wordt in de praktijk op twee heel verschillende manieren ingezet. In optica wordt GaN gebruikt om licht te maken: wanneer stroom door een GaN-kristal met de juiste toevoegingen gaat, zenden elektronen fotonen (lichtdeeltjes) uit, de basis van blauwe en — via een fosformengsel dat het blauwe licht deels omzet — witte leds. In vermogenselektronica wordt GaN juist gebruikt om stroom te schakelen en om te zetten, bijvoorbeeld van wisselstroom naar gelijkstroom in een oplader, of tussen spanningsniveaus in een versterker. Beide toepassingen steunen op dezelfde materiaaleigenschap, maar vereisen heel andere chipontwerpen.

Wat wil men ermee bereiken?

Het hoofddoel in vermogenselektronica is energie-efficiëntie: minder stroom verliezen als warmte bij het schakelen en omzetten van elektriciteit. Een GaN-schakeling is doorgaans kleiner, lichter en heeft minder koeling nodig dan een vergelijkbare siliciumschakeling, omdat ze sneller schakelt en minder warmte produceert. Voor een oplader betekent dit een kleinere behuizing; voor een zendmast dat een versterker minder stroom verspilt; voor datacenters dat voedingen efficiënter worden, relevant nu het stroomverbruik van servers en AI-rekencentra snel groeit.

Voor de verlichtingssector lag de drijfveer elders. Tot in de jaren negentig bestonden er goede rode en groene leds, maar geen efficiënte blauwe. Zonder blauw licht is geen wit licht te maken, dus bleven gloeilampen en tl-buizen de norm. Het doel was een ledtechnologie die alle kleuren kan produceren en zo de gloeilamp, die het grootste deel van zijn stroom als warmte verspilt, overbodig maakt.

In radar en telecommunicatie wil men vooral hogere frequenties en vermogens behalen in kleinere behuizingen: essentieel voor 5G-antennes die compact moeten zijn maar toch krachtige signalen versturen, en voor radarsystemen die nauwkeuriger moeten kunnen detecteren.

Voorbeelden uit de praktijk

In 1993 slaagde de Japanse onderzoeker Shuji Nakamura, destijds werkzaam bij het bedrijf Nichia, erin om een heldere blauwe led op basis van galliumnitride te maken — een doorbraak waarnaar laboratoria wereldwijd tevergeefs hadden gezocht. Samen met zijn collega's Isamu Akasaki en Hiroshi Amano ontving hij hiervoor in 2014 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Vrijwel elke witte ledlamp die sindsdien is verkocht, berust op dat werk.

Vanaf ongeveer 2019 stapten laderfabrikanten over op GaN-chips. Het Amerikaanse merk Anker bracht een van de eerste compacte GaN-laders voor consumenten uit, en Apple volgde in 2021 met een 140 watt GaN-oplader voor de MacBook Pro die aanzienlijk kleiner is dan de siliciumversie die hij verving. Inmiddels verkopen tientallen merken vergelijkbare compacte laders.

In telecommunicatie leveren bedrijven als het Amerikaanse Qorvo en het Japanse Sumitomo Electric al sinds het begin van de 5G-uitrol GaN-versterkerchips voor zendmasten, omdat deze bij gelijke prestaties minder energie verbruiken dan de eerdere generatie op basis van galliumarsenide.

De markt consolideert ook: het Duitse Infineon, een van de grootste chipfabrikanten van Europa, nam in 2023 het Canadese GaN Systems over om zijn vermogenselektronica-portfolio uit te breiden — een teken dat gevestigde partijen GaN niet langer als nichetechniek beschouwen.

In de auto-industrie experimenteert onder meer het Israëlische VisIC Technologies met GaN-schakelingen voor de omvormers die de accu van elektrische auto's aansturen. De sector gebruikt voor dit soort hoogvermogentoepassingen tot nu toe echter meestal het verwante materiaal siliciumcarbide (SiC); grootschalige toepassing van GaN in auto's moet nog goeddeels bewezen worden.

Hoe ver is de techniek?

Voor laagvermogentoepassingen — laders, kleine voedingen, ledverlichting — is GaN volledig volwassen en wordt het al op grote schaal in massaproductie gemaakt. Voor middelgrote vermogens, zoals voedingen van laptops en servers, is de techniek eveneens commercieel beschikbaar en wint ze snel terrein.

Voor de echt grote vermogens — elektrische auto's, zonne-omvormers, het elektriciteitsnet — is GaN nog volop in ontwikkeling en moet het concurreren met siliciumcarbide, dat momenteel beter bestand is tegen zeer hoge spanningen. Een belangrijk technisch obstakel is dat GaN meestal op een siliciumbasis wordt gegroeid, terwijl de twee materialen niet perfect bij elkaar passen qua kristalstructuur; dat kan tot defecten en betrouwbaarheidsproblemen leiden bij langdurig gebruik onder hoge belasting.

De productiecapaciteit groeit wel snel: het Chinese Innoscience opende fabrieken die GaN op wafers van 200 millimeter (acht inch) produceren, vergelijkbaar met reguliere siliciumproductie, wat de kostprijs drukt. Toch blijft een GaN-chip doorgaans duurder per geleverd vermogen dan een vergelijkbare siliciumchip, al wordt dat verschil kleiner.

Kortom: in consumentenelektronica is GaN niet langer experimenteel maar ingeburgerd; in hoogvermogentoepassingen zoals auto's en het energienet bevindt de techniek zich nog in een vroege, veelbelovende maar onbewezen fase.

Wie werken eraan?

Op het gebied van vermogenselektronica lopen onder meer het Amerikaanse Efficient Power Conversion (EPC, een pionier sinds de jaren 2000), Navitas Semiconductor en het inmiddels bij Infineon horende GaN Systems voorop. Ook Infineon zelf, Nexperia (Nederland), STMicroelectronics, onsemi en NXP hebben eigen GaN-programma's.

In Azië investeert China fors in binnenlandse GaN-productie, met Innoscience als grootste speler, terwijl Japanse bedrijven als Sumitomo Electric en Panasonic al decennialang ervaring hebben vanuit de led- en telecomindustrie. TSMC (Taiwan) produceert GaN-chips in opdracht van andere bedrijven.

Op onderzoeksgebied spelen het Belgische onderzoeksinstituut imec, het Duitse Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (Fraunhofer IAF) en universiteiten als UC Santa Barbara (waar Nakamura sinds 2000 werkt) en de Japanse Nagoya University, de academische thuisbasis van Akasaki en Amano, een belangrijke rol in het fundamentele onderzoek naar kristalkwaliteit en nieuwe chipontwerpen.

Verder lezen

• Nobelprize.org — achtergrond over de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2014, toegekend voor de uitvinding van de blauwe led.
• Efficient Power Conversion (EPC) — technische documentatie van een van de pioniers in GaN-vermogenselektronica.
• Infineon Technologies — productinformatie en toepassingen van GaN-halfgeleiders van een grote Europese chipfabrikant.
• imec — onafhankelijk onderzoeksinstituut met publicaties over halfgeleidertechnologie, waaronder GaN.
• IEEE Xplore — vakliteratuur en wetenschappelijke papers over halfgeleiderfysica en vermogenselektronica.