GaN คืออะไร ? ทำไม GaN ถึงเป็นนวัตกรรมสำคัญต่อโลกเทคโนโลยีในอนาคต

GaN คืออะไร ?

นับตั้งแต่ที่มนุษย์ค้นพบอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์ก็หาทางใช้ประโยชน์จากมันมาโดยตลอด มีการประดิษฐ์ "สวิตช์" สำหรับควมคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เพื่อสร้างเป็นสิ่งที่เราเรียกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขึ้นมา

ในยุคสมัยเริ่มต้นก็จะใช้หลอดสุญญากาศมาทำเป็นสวิตช์ แต่มันก็มีประสิทธิภาพในการทำงานต่ำ เกิด ความร้อนสูง ในขณะใช้งาน แถมยังต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ในการติดตั้ง จนกระทั่งในช่วงยุค '50 ที่ทรานซิสเตอร์ถูกคิดค้นสำเร็จ ทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง และมีประสิทธิภาพที่สูงขึ้นกว่าเดิมหลายเท่า

ปัจจุบันนี้ทรานซิสเตอร์ก็จะมีพื้นฐานผลิตโดยการใช้สารกึ่งตัวนำ (เซมิคอนดักเตอร์) คือ ซิลิคอน (Silicon) ในการผลิต เป็นหลัก แต่ตอนนี้มีสารกึ่งตัวนำชนิดใหม่ (จริงๆ ก็ไม่ได้ใหม่มาก) ที่ว่ากันว่าจะเป็นกุญแจสำคัญสำหรับเทคโนโลยีในยุคถัดไป นั่นก็คือ GaN เชื่อว่าหลายคนน่าจะยังไม่รู้จักมันดีนัก และสงสัยว่า GaN คือ อะไร? มันช่วยให้เทคโนโลยีก้าวไปข้างหน้าได้ไวขึ้นอย่างไร มาอ่านคำตอบกันได้ในบทความนี้ครับ

GaN คือ อะไร ?

คำว่า "GaN" ย่อมาจาก Gallium Nitride (อ่านออกเสียงภาษาไทยว่า "แกลเลียมไนไตรด์") เป็นสารกึ่งตัวนำที่เริ่มเป็นที่รู้จักกันตั้งแต่ปี ค.ศ. 1990 (พ.ศ. 2533) เนื่องจาก LEDs สีขาวตัวแรกถูกประดิษฐ์ด้วย GaN ซึ่งมันยังถูกใช้ในการผลิตเลเซอร์กำลังสูง (Blue lasers), จอ LED แบบสีที่สามารถมองเห็นได้แบบกลางแจ้ง, เป็นตัวสร้างแสงฟ้าในหัวอ่านของเครื่องเล่น Blu-ray DVD

ในภาคการผลิตหลายอย่าง ความนิยมในการใช้งาน GaN แทน Silicon นั้นเริ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ ในช่วงเวลาหลายสิบปีที่ผ่านมานี้ ผู้ผลิตทรานซิสเตอร์จากซิลิคอนได้มีความพยายามในการปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดีขึ้นเรื่อยๆ อ้างอิงจาก "กฎของมัวร์" (ถูกตั้งโดยกอร์ดอน มัวร์ ผู้ก่อตั้งบริษัท Intel) เขาได้กล่าวว่า "ปริมาณทรานซิสเตอร์ที่สามารถจุลงในแผ่นวงจรซิลิคอนได้จะมีอัตราสูงขึ้นกว่าเดิมสองเท่าทุกๆ สองปี"

ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law

กฎของมัวร์เริ่มมีการติดตามผลตั้งแต่ปี ค.ศ. 1965 (พ.ศ. 2508) และมันก็เกิดขึ้นจริงมายาวนานกว่า 50 ปี จนเริ่มชะลอไม่สามารถทำตามเป้าได้เป็นครั้งแรกในช่วงปี ค.ศ. 2010 (พ.ศ. 2553) มีหลายฝ่ายวิเคราะห์ (รวมไปถึงตัวมัวร์เองด้วย) ได้คาดการณ์ว่ากฎของมัวร์จะกลายเป็นเรื่องล้าสมัยในปี ค.ศ. 2025 (พ.ศ. 2568)

แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์วิจัย GaN เริ่มรู้จักมันมากขึ้น มีการคิดค้นวิธีนำ GaN มาทำทรานซิสเตอร์ ประสิทธิภาพของมันสูงขึ้นกว่าการใช้ซิลิคอนมาก และนั่นอาจจะเป็นสิ่งที่ช่วยต่ออายุขัยให้กฏของมัวร์มีอายุยืนยาวต่อไปได้อีกครั้ง ซึ่งขณะนี้มีการวิจัยพัฒนากระบวนการผลิตทรานซิสเตอร์จาก GaN ให้ไม่แตกต่างไปจากการผลิตด้วยซิลิคอน ทำให้ต้นทุนการผลิตลดต่ำลงมาก ทำให้ผู้ผลิตหลายรายเริ่มหันมาให้ความสนใจในการใช้ GaN มากขึ้นเรื่อยๆ

ทำไม Gallium Nitride ถึงดีกว่า Silicon ?

คุณสมบัติสำคัญที่ทำให้ GaN เหนือกว่าซิลิคอน (Silicon) คือ ประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน (Power efficiency) ก่อนอื่นเราคงต้องอธิบายคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำให้เข้าใจกันก่อน

สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) คือ วัสดุที่มีความกว้างของช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (Bandgap) อยู่ระหว่างสารนำไฟฟ้า (Conductor) กับฉนวน (Insulator) สารกึ่งตัวนำจะไม่นำไฟฟ้าในสภาวะปกติ แต่สามารถนำไฟฟ้าได้เมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยแสง, ไฟฟ้า หรือความร้อน ที่มีพลังงานเท่ากับ หรือมากกว่าช่องว่างระหว่างแถบ

พลังงานอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ ที่ได้รับพลังงานกระตุ้นจะหลุดจากโครงสร้างอะตอมข้ามช่องว่างระหว่างแถบพลังงานขึ้นไปอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) ที่มีระดับพลังงานสูงกว่า และสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทำให้เกิดสภาพนำไฟฟ้าได้ ธาตุที่มีสมบัติดังกล่าว ได้แก่ ซิลิคอน (Si) และเจอร์มาเนียม (Ge) ซึ่งใช้เป็นวัสดุหลักในชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ที่มา https://ienergyguru.com/2015/06/สารกึ่งตัวนำ/

หากพูดแบบง่ายๆ Bandgap จะเป็นค่าที่บ่งชี้ได้ว่าสารกึ่งตัวนำนั้นจะสามารถนำไฟฟ้าได้ดีขนาดไหนนั่นเอง ซึ่งซิลิคอนที่เรานิยมใช้กันในปัจจุบันนี้จะมีค่า Bandgap อยู่ที่ 1.12 eV ส่วน Gallium nitride (GaN) จะอยู่ที่ 3.4 eV ซึ่งหมายความว่า GaN สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าได้สูงกว่า และทนต่ออุณหภูมิได้สูงกว่าซิลิคอน

ค่า Bandgap ที่สูงกว่า หมายความว่ากระแสอิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ไหลผ่านชิป GaN จะมีความเร็วสูงกว่าชิปจากซิลิคอน ทำให้มีความเป็นไปได้ที่ในอนาคต จะสามารถนำ GaN มาผลิตชิปที่มีความเร็วสูงขึ้น, ขนาดเล็กลง, ประหยัดพลังงาน และมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่าการใช้ซิลิคอนอย่างในปัจจุบัน

เรื่องนี้ Efficient Power Conversion Corporation หนึ่งในผู้ผลิต GaN ก็ได้ออกมาระบุว่า GaN มีความสามารถในการจัดการอิเล็กตรอนได้ประสิทธิภาพสูงกว่าซิลิคอนถึง 1,000 เท่า และยังมีต้นทุนเริ่มต้นในการผลิตที่ต่ำกว่าอีกด้วย เพราะเมื่อสามารถผลิตชิปที่มีขนาดเล็กลงกว่าเดิมได้ ปริมาณชิปที่สามารถผลิตได้ต่อหนึ่ง แผ่นเวเฟอร์ (Wafer) ก็จะมีจำนวนมากขึ้น

อุปกรณ์ GaN ในปัจจุบัน

เทคโนโลยี GaN ไม่ใช่อนาคตอันไกล แต่มีการนำมาใช้งานกันอย่างแพร่หลายแล้วในปัจจุบัน โดยที่เราน่าจะเห็นกันย่อยสุดในขณะนี้ก็คือ อะแดปเตอร์สำหรับชาร์จแบตเตอรี่

ด้วยประสิทธิภาพของ GaN ทำให้วงจร และประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้าดีขึ้นกว่าเดิมหลายเท่า GaN อะแดปเตอร์ จึงมีขนาดที่เล็กกว่าเดิมมาก ในขณะที่ประสิทธิภาพในการชาร์จกลับสูงขึ้นกว่าเดิม

อย่างภาพด้านล่างนี้ จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าอะแดปเตอร์แบบ 30 วัตต์ (Watts) ที่ใช้ GaN กับซิลิคอน นั้นมีขนาดที่แตกต่างกันมาก

ภาพจาก https://www.autorunner.co/whats-gan-technology/

เทคโนโลยี 5G ที่กำลังเริ่มทยอยแทนที่ 4G ก็เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่ได้ประโยชน์จาก GaN ด้วยเช่นกัน เนื่องจาก การรับส่งข้อมูลของ 5G มีขนาด และความเร็วที่สูงกว่า 4G หลายเท่า การประมวลผลข้อมูลที่เสาสถานีต้องทำจึงหนักมาก และเมื่อมีการประมวลผลเกิดขึ้น ความร้อนก็ตามมาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่ง GaN ก็เลยถูกนำมาเพื่อใช้แก้ไขปัญหานี้ (ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น โดยกำลังแข่งขันกับเทคโนโลยี LDMOS ที่มีอยู่เดิม)

ภาพจาก https://compoundsemiconductor.net/article/108936/5G_Evolution_then_revolution/feature

ส่วนชิปประมวลผลแบบ GaN นั้น หนทางยังอีกยาวไกล แม้ทรานซิสเตอร์แบบ GaN จะมีแล้ว แต่ CPU ก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง เนื่องจากโครงสร้างในการทำงานที่แตกต่างกัน ซึ่งการออกแบบชิปประมวลผลสิ่งเป็นสิ่งที่มีความซับซ้อนขึ้นมาใหม่ไม่ใช่เรื่องง่าย ในอนาคตมันอาจจะเกิดขึ้นได้ แต่มันยังเร็วเกินไปสำหรับปัจจุบันนี้ มีนักวิเคราะห์คาดการณ์ว่าอาจจะต้องเวลาเป็นสิบปีเลยทีเดียว