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一文看懂氮化镓:纳微最全介绍,带你极速认识第三代半导体

2021年07月20日 14:11 次阅读

什么是氮化镓(GaN)?

氮化镓,由镓(原子序数 31)和氮(原子序数 7)结合而来的化合物。它是拥有稳定六边形晶体结构的宽禁带半导体材料。禁带,是指电子从原子核轨道上脱离所需要的能量,氮化镓的禁带宽度为 3.4eV,是硅的 3 倍多,所以说氮化镓拥有宽禁带特性(WBG)。

禁带宽度决定了一种材料所能承受的电场。氮化镓比传统硅材料更大的禁带宽度,使它具有非常细窄的耗尽区,从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构。由于氮化镓具有更小的晶体管、更短的电流路径、超低的电阻电容等优势,氮化镓充电器的充电器件运行速度,比传统硅器件要快 100倍。

更重要的是,氮化镓相比传统的硅,可以在更小的器件空间内处理更大的电场,同时提供更快的开关速度。此外,氮化镓比硅基半导体器件,可以在更高的温度下工作。

为什么氮化镓(GaN)很重要?

氮化镓(GaN)的重要性日益凸显,增加。因为它与传统的硅技术相比,不仅性能优异,应用范围广泛,而且还能有效减少能量损耗和空间的占用。在一些研发和应用中,传统硅器件在能量转换方面,已经达到了它的物理极限。而上限更高的氮化镓,可以将充电效率、开关速度、产品尺寸和耐热性的优势有机统一,自然更受青睐。

随着全球能量需求的不断增加,采用氮化镓技术除了能满足能量需求,还可以有效降低碳排放。事实上,氮化镓的设计和集成度,已经被证明可以成为充当下一代功率半导体,其碳足迹比传统的硅基器件要低10倍。据估计,如果全球采用硅芯片器件的数据中心,都升级为使用氮化镓功率芯片器件,那全球的数据中心将减少30-40% 的能源浪费,相当于节省了 100 兆瓦时太阳能和1.25 亿吨二氧化碳排放量。

 

氮化镓的吸引力不仅仅在于性能和系统层面的能源利用率的提高。当我们发现,制造一颗片氮化镓功率芯片,可以在生产制造环节减少80% 化学物及能源损耗,此外还能再节省超过 50% 的包装材料,那氮化镓的环保优势,将远远大于传统慢速硅材料。

氮化镓: 历史与未来

镓在自然界中不以元素形式存在。它通常是在铝土矿加工成铝的过程中,或闪锌矿提炼为锌的过程中产生的副产品。因此镓的提取和精炼,碳足迹非常低。

镓每年产量超过 300 吨,预计全世界的存储量超过 100 万吨。由于镓是一种加工副产品,所以成本相对较低,约为每公斤 300 美元,比每公斤约 6 万美元的黄金要低 200 倍。

德米特里 · 门捷列夫(Dmitri Mendeleev)在1871年预测了镓的存在。1875年,德布瓦博德兰(Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran)在巴黎被发现镓,并以他祖国法国的拉丁语 Gallia (高卢)为这种元素命名它。纯氮化镓的熔点只有30摄氏度(86华氏度) ,因此在正常体温下,它会在人的手中融化。

又过了65年,氮化镓首次被人工合成。直到20世纪60年代,制造氮化镓单晶薄膜的技术才得以出现。作为一种化合物,氮化镓的熔点超过1600℃,比硅高200℃。

1972年,基于氮化镓材质的 LED 发光二极管才被发明出来(使用掺有镁的氮化镓)。这是里程碑式的历史事件。虽然最初的氮化镓 LED ,亮度还不足以商用,但这是人类第一次制备出能够发出蓝紫色光的LED。1991年,一种生产更高亮度的蓝色LED的方法获得了专利,两年后,高亮度的蓝色 LED 就诞生了。

高亮度的蓝色LED商用,是电子行业的一个转折点。通过添加荧光粉涂层,人类实现了有可能创造出能够替代低效白炽灯的白色LED。添加红色和绿色的LED,就可以组成一款基于 LED 的显示器。从第一台LED背光液晶电视到最新的OLED屏幕,这加速了阴极射线管(CRT)电视和显示器市场的更替,以及基于硅的 “偏转晶体管”屏幕产品的消亡。

因此,氮化镓是我们在电视、手机、平板电脑、笔记本电脑和显示器中,使用的高分辨率彩色屏幕背后的核心技术。在光子学方面,氮化镓还被用于蓝光激光技术(最明显的是用于蓝光播放器的光盘激光头)。

在光子学之外,虽然氮化镓晶体管在1993年就发布了相关技术,但直到2004年左右,第一个氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)才开始商用。这些晶体管通常用于需要高效能、高电压的射频基础设施。几年后,即2008年,氮化镓金属氧化物半导场效晶体(MOSFET)(在硅衬底上形成)得到推广,但由于电路复杂和缺乏高频生态系统组件,使用率较低。

纳微半导体成立于2014年,使命是在广泛的应用领域充分发挥氮化镓功率芯片具备的宽禁带器件的优势,传递宽禁带技术应用的广阔可能性,实现电力电子领域的速度革命。2018年,纳微半导体入选 EETImes 著名的 “Silicon 60 “创业公司榜单名单,2019年,Frost and Sullivan弗若斯特沙利文咨询公司认可了纳微半导体的独特愿景,系统方案和和核心技术,认为纳微有望催生并带来基于氮化镓的下一代电源系统。同年,纳微半导体被授予上海张江895和张江科学城ICV先锋联盟 “创新之星”称号,随后在2020年,纳微半导体同时获得中国通信工业协会(CCIA)的 “半导体设计创新优秀奖”和“Aspencore年度杰出创新公司”奖。

 

同样是 2020 年,纳微半导体宣布氮化镓器件和应用的专利,已经超过100多项。

纳微半导体持续仍在继续不断地开发 GaNFast 系列功率芯片产品。和大多数传统硅器件,或者早期分立式氮化镓器件不同,纳微半导体的这些器件,采用非常小巧的表面贴装型封装 QFN,消除了限速、有损分立驱动和保护电路,并缩小了印刷电路版(PCB)面积。

截止到2021年4月1日,纳微半导体已经完成了1820万片零故障氮化镓功率芯片的出货运输。

如您需要查看最新的氮化镓功率芯片出货装运和质量信息,请访问我们的产品质量页面。

氮化镓的应用

长期以来,氮化镓一直被用于 LED 和射频元件的生产,但现在,不断发展增长的电源开关和转换应用市场中,氮化镓越来越成为主流选择。而基于氮化镓的功率芯片,还可以满足高性能、空间占用小、耐高温的要求。

在手机和笔记本电脑中,你可以用基于氮化镓的射频器件,收发移动网络和 WiFi 信号。而为这些设备充电的充电器,也越来越多地采用氮化镓功率芯片。目前,功率氮化镓最大的市场,是移动设备的快充市场。氮化镓功率芯片可以让使充电器的充电速度,比传统硅充电器快高三倍,但尺寸和重量,只有后者的一半。更重要的是,采用氮化镓的单口充电器产品,价格只有旧款最好的旧款硅充电器的一半;而多口输出的氮化镓充电器,价格更是比旧老款硅充电器低三倍多。

 

氮化镓功率芯片也能部署在数据中心服务器之中。随着数据中心流量的增加,硅传输能量的能力到达了“物理性质”的限制。最终,传统的硅芯片,在功率芯片领域会被高速的氮化镓功率芯片取而代之。

数据中心硬件的整合、新的 HVDC 高压直流架构方法,以及大规模量产、高度集成的氮化镓功率芯片,使充电效率得到了重大改善。据估计,如果全球采用硅器件的数据中心,都升级为氮化镓器件,那全球的数据中心将减少30-40% 的能源浪费,相当于相当于节省了 100 兆瓦时太阳能和1.25 亿吨二氧化碳排放量。因此,使用氮化镓,代表着数据中心行业向“净零排放”(Net-Zero)的目标,又迈出坚实的一步。

 

在汽车行业,氮化镓正成为新能源汽车领域中,电源转换和电池充电的首选技术。基于氮化镓的功率产品,也越来越多地出现在太阳能发电装置采用的逆变器中,以及电机驱动和其他工业电源转换的方案中。

为什么氮化镓比硅更好?

氮化镓(GaN)是一种“宽禁带”(WBG)材料。禁带,是指电子从原子核轨道上脱离出来所需要的能量,氮化镓的禁带宽度为 3.4ev,是硅的 3 倍多,所以说氮化镓拥有宽禁带特性(WBG)。

硅的禁带宽度为1.1 eV,而氮化镓的禁带宽度为3.4 eV。由于宽禁带材料具备高电场强度,耗尽区窄短,从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构。例如,一个典型的650V横向氮化镓晶体管,可以支持超过800V的电压,其漏极漂移区为10-20μm,或大约40-80V/μm。这大大高于硅20V/μm的理论极限。然而,氮化镓器件目前仍然远远低于约300V/µm的禁带宽度极限,这为未来的优化和改进,留下了巨大的空间。

在器件层面,根据实际情况而言,归一化导通电阻(RDS(ON))和栅极电荷(QG)乘积得出的优值系数,氮化镓比硅好 5 倍到 20 倍。通过采用更小的晶体管和更短的电流路径,氮化镓充电器将能实现了超低的电阻和电容,开关速度可提高一百倍。

为了充分利用氮化镓功率芯片的能力,电路的其他部分也必须在更高的频率下有效运行。近年加入控制芯片之后,氮化镓充电器的开关频率,已经从 65-100kHz,提高到 1MHz 以上。新的控制器正在开发中。微控制器和数字信号处理器(DSP),也可以用来实现目前软开关电路拓扑结构,而目前广泛采用的、为1-2 MHz范围优化的磁性材料,已经可被使用了。

氮化镓功率芯片,在半桥拓扑结构中结合了频率、密度和效率优势。如有源钳位反激式、图腾柱PFC和LLC。随着从硬开关拓扑结构到软开关拓扑结构的改变,初级FET的一般损耗方程可以最小化,从而提升至10倍的高频率。

氮化镓功率芯片前所未有的性能表现,将成为第二次电力电子学革命的催化剂。

氮化镓和碳化硅的对比

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)都是宽禁带(WBG)材料,比硅(Si)有更好的物理性能。三种材料的禁带宽度分别为:Si 1.1eV;SiC 3.2eV;GaN 3.4eV,所以氮化镓和碳化硅处理更高的电压比硅好得多。氮化镓和碳化硅的击穿电压(以MV/cm计)都比硅高10倍。

氮化镓和碳化硅之间的核心区别在于“速度”,或者说“电子迁移率”。在2,000 /Vs时,氮化镓的电子迁移率比硅快30%,比碳化硅快300%,这意味着氮化镓是高频的赢家。氮化镓功率开关被称为 “高电子迁移率晶体管”(HEMT)。

 

氮化镓的宽禁带特性,在100V至600V电压的功率芯片应用之中,能有效降低生产成本和碳排放。而碳化硅有更高的导热性,适用于需要大量散热的更高功率场景。两者的另一个主要区别电流;碳化硅具有“纵向结构”的特性,更适合高功率的应用;而纳微半导体的氮化镓具有“横向结构”,使单片集成成为可能。横向结构的氮化镓芯片,集成了功率场效应管、驱动、逻辑、保护、传感器和控制器。

氮化镓功率芯片如何改善快充充电器设计?

氮化镓的宽禁带特性,在100V至600V电压的功率芯片应用之中,能有效降低生产成本和碳排放。而碳化硅有更高的导热性,适用于需要大量散热的更高功率场景。两者的另一个主要区别电流;碳化硅具有“纵向结构”的特性,更适合高功率的应用;而纳微半导体的氮化镓具有“横向结构”,使单片集成成为可能。横向结构的氮化镓芯片,集成了功率场效应管、驱动、逻辑、保护、传感器和控制器。

 

有关氮化镓充电器和适配器的清单,请访问GaNFast网站,按功率、品牌或尺寸搜索,并查看评测和购买氮化镓快速充电器的链接。

什么是氮化镓功率芯片?

通过SMT封装,GaNFast™ 氮化镓功率芯片实现氮化镓器件、驱动、控制和保护集成。这些GaNFast™功率芯片是一种易于使用的“数字输入、电源输出” (digital in, power out)模块。由于闸极驱动器的阻抗基本为零,因此集成后可实现关断时的零损耗。此外,可以根据具体的应用要求,定制和控制开启性能。

 

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半导体制造是高端制造中信息化程度最高的代表,其中以晶圆制造最为复杂。
发表于 2021-07-04 15:34 447次阅读
国产半导体制造行业的软实力与硬实力

数字源表在气敏电阻测试中的应用

数字源表是电学测试的必备仪器之一,是一种多用途仪器,特别适合现代半导体、纳米器件和材料、有机半导体、....
发表于 2021-07-02 17:58 106次阅读
数字源表在气敏电阻测试中的应用

格芯新晶圆厂在新加坡破土动工并于线上举行了虚拟奠...

格芯新晶圆厂在新加坡破土动工,并于线上举行了虚拟奠基仪式。出席奠基仪式的贵宾包括: 新加坡交通部长兼....
发表于 2021-07-02 17:02 315次阅读
格芯新晶圆厂在新加坡破土动工并于线上举行了虚拟奠...

Dukosi Limited采用Scienlab...

2021年6月28日,北京――是德科技公司(NYSE:KEYS)日前宣布,该公司已被电池管理技术供应....
发表于 2021-07-02 16:51 323次阅读
Dukosi Limited采用Scienlab...

格芯宣布要大幅提高其现有新加坡晶圆厂的产能

最近,主流新闻媒体经常报道芯片短缺以及这所导致的相关问题,半导体行业所面临的困境也因此变得广为人知。....
发表于 2021-07-02 15:44 309次阅读
格芯宣布要大幅提高其现有新加坡晶圆厂的产能

芯片涨不停 7月1日起这些半导体公司将继续涨价

1.晶丰明源:7月1日起,涨价! 2.集创北方:7月1日起对LED驱动产品价格进行上调 3.必易微:....
发表于 2021-07-02 12:03 580次阅读
芯片涨不停 7月1日起这些半导体公司将继续涨价

腾讯专访纳微副总裁查莹杰:电源架构与材料,即将发...

在采访中,查莹杰先生向我们介绍了氮化镓在电力电子行业的现状与发展,纳微半导体的使命以及未来发展的方向....
发表于 2021-07-02 11:43 210次阅读
腾讯专访纳微副总裁查莹杰:电源架构与材料,即将发...

半导体公司的涨价函再次袭来 10家半导体公司7月...

半导体公司的涨价函再次袭来,包括晶丰明源、必易微、集创北方等在内的多家半导体公司都发布了涨价函,涨价....
发表于 2021-07-02 11:28 552次阅读
半导体公司的涨价函再次袭来 10家半导体公司7月...

未来十年安全边缘设备将会兴起 2021年仅是个开...

未来十年,安全边缘设备将会兴起……2021年仅仅标志着智能边缘时代的开端,这将是一个充满挑战性的漫长....
发表于 2021-07-02 10:56 354次阅读
未来十年安全边缘设备将会兴起 2021年仅是个开...

预计半导体资本强度可能会从 2023 年开始下降

2021年6月8日,在Seeking Alpha的一篇题为“半导体芯片Vs.设备库存:长期投资者的洞....
发表于 2021-07-02 10:07 391次阅读
预计半导体资本强度可能会从 2023 年开始下降

三极管的工作特点

三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管、晶体三极管,是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微....
发表于 2021-07-02 09:38 719次阅读
三极管的工作特点

同步整流在氮化镓GaN充电器中有哪些应用?

MP6908之所以受到这么多产品应用设计,主要是有什么特点? 把同步整流管分别放在次级侧的低端和高端有什么区别吗?...
发表于 2021-07-02 06:33 0次阅读
同步整流在氮化镓GaN充电器中有哪些应用?