日本的信越化學(xué)工業(yè)和OKI公司近期宣布，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種能夠以低成本制造使用氮化鎵（GaN）的功率半導(dǎo)體材料的技術(shù)。據(jù)稱，該技術(shù)的制造成本可以降低到傳統(tǒng)制法的十分之一以下，如果能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，將對(duì)許多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

氮化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有高熱穩(wěn)定性、高電子遷移率和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于快充充電器、電力電子、光電子和微波射頻等領(lǐng)域。然而，由于氮化鎵的生長(zhǎng)條件苛刻，制造成本高昂，限制了其在許多應(yīng)用中的普及。

這次日本的新技術(shù)突破了這一難題。通過(guò)在特有的基板上噴鎵系氣體，使晶體生長(zhǎng)，然后將晶體放在其他基板上作為功率半導(dǎo)體的晶圓使用，大大降低了制造成本。這一突破將對(duì)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，特別是功率半導(dǎo)體市場(chǎng)產(chǎn)生重大影響。

該技術(shù)將推動(dòng)氮化鎵功率半導(dǎo)體的普及。由于成本的大幅降低，更多的電子產(chǎn)品可以使用氮化鎵功率半導(dǎo)體，從而提高產(chǎn)品的性能和效率。這將使消費(fèi)者享受到更快速、更高效、更便捷的電子產(chǎn)品，同時(shí)也將推動(dòng)整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

該技術(shù)將增強(qiáng)日本在全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。日本一直以來(lái)都是半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先者，而這次的技術(shù)突破將進(jìn)一步鞏固其地位。如果能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，日本的氮化鎵半導(dǎo)體產(chǎn)品將具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而獲得更高的市場(chǎng)份額。

該技術(shù)還將推動(dòng)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。隨著氮化鎵功率半導(dǎo)體的普及，更多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)將會(huì)投入研究和開(kāi)發(fā)，推動(dòng)氮化鎵半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。這將為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)注入新的活力，推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。


雷軍、英特爾為GaN"帶貨"

紅米300W GaN快充，刷新手機(jī)快充記錄

2月28日，雷軍公眾號(hào)公開(kāi)了一款名為“300瓦神仙秒充”的GaN充電器，5分鐘充滿100%電，刷新手機(jī)快充記錄。

據(jù)悉，該快充基于Redmi Note 12探索版魔改而來(lái)，采用了定制的6:2電荷泵芯片，芯片最高轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%，多顆電荷泵并聯(lián)后直接給電池充電，實(shí)現(xiàn)了300瓦超大功率。

此外，它還搭載了第四代GaN集成化方案，功率高、體積小、發(fā)熱低，效率也更高。在功率大漲43%的情況下，其體積與小米上一代210瓦充電器完全相同，功率密度達(dá)到2.31W/cm3。

英特爾引入GaN，效率達(dá)98%

2月23日，據(jù)英特爾官方消息，他們舉辦了主題為“攜手生態(tài)伙伴分享高能低碳新理念，共同打造綠色商用電腦”的新品發(fā)布會(huì)。值得一提的是，英特爾在供電設(shè)計(jì)上引入了氮化鎵技術(shù)，效率高達(dá) 98% 以上。

據(jù)悉，英特爾與包括清華同方、宏碁在內(nèi)的 PC 產(chǎn)業(yè)合作伙伴共同推出了綠色商用電腦產(chǎn)品，多方合作開(kāi)發(fā)出基于氮化鎵材料的全新電腦電源，不但體積比傳統(tǒng)電源縮小多達(dá)90％，對(duì)于小機(jī)箱更加友好，還能進(jìn)一步達(dá)到80Plus鈦金標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)98％，在供電過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生額外的浪費(fèi)。

“后來(lái)者居上”的第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵

眾所周知，第一代半導(dǎo)體材料代表是硅，主要解決數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)的問(wèn)題；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題；而第三代半導(dǎo)體，除了碳化硅，就是近幾年聲名鵲起，后來(lái)者居上的“氮化鎵”了。

氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料的前沿代表，與前代半導(dǎo)體材料相比，多項(xiàng)指標(biāo)有顯著提升。氮化鎵是氮和鎵的化合物，需要由人工合成，結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦。

從特性上來(lái)看，作為時(shí)下新興的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，氮化鎵具有超越硅的多種優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的硅材料相比，氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)、導(dǎo)通電阻低、電子遷移率高、轉(zhuǎn)換效率高、熱導(dǎo)率高、損耗低等優(yōu)點(diǎn)。

在早期，氮化鎵廣泛運(yùn)用于新能源汽車(chē)、軌道交通、智能電網(wǎng)、半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信等。隨著技術(shù)突破，成本逐漸得到控制，目前氮化鎵還被廣泛運(yùn)用到消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。


打開(kāi)四大新興市場(chǎng)

受汽車(chē)、電信、云系統(tǒng)、電壓轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θ找娓咝У慕鉀Q方案的需求的推動(dòng)，基于 GaN 的功率器件的市場(chǎng)占有率正在急劇增長(zhǎng)。我們將介紹 GaN 的一些應(yīng)用，這些應(yīng)用不僅代表了技術(shù)挑戰(zhàn)，而且最重要的是，代表了擴(kuò)大市場(chǎng)的新興機(jī)遇。


電機(jī)驅(qū)動(dòng)

由于其出色的特性，GaN 已被提議作為電機(jī)控制領(lǐng)域中傳統(tǒng)硅基 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。GaN 技術(shù)的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)硅的 1,000 倍，加上較低的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗，可提供高效、輕巧且占用空間小的解決方案。高開(kāi)關(guān)頻率（GaN 功率晶體管的開(kāi)關(guān)速度可以達(dá)到 100 V/ns）允許工程師使用較低值（因此尺寸更小）的電感器和電容器。低 R DS( on) 減少產(chǎn)生的熱量，提高能源效率并實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸。與 Si 基器件相比，GaN 基器件需要具有更高工作電壓、能夠處理高 dV/dt 瞬態(tài)和低等效串聯(lián)電阻的電容器。

GaN 提供的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其高擊穿電壓（50-100 V，與其他半導(dǎo)體可獲得的典型 5 至 15-V 值相比），它允許功率器件在更高的輸入功率和電壓下運(yùn)行而無(wú)需損壞的。更高的開(kāi)關(guān)頻率允許 GaN 器件實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，因此可以實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的電機(jī)控制算法。此外，通過(guò)使用變頻驅(qū)動(dòng) (VFD) 電機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng) Si MOSFET 和 IGBT 無(wú)法獲得的效率水平。此外，VFD 實(shí)現(xiàn)了極其精確的速度控制，因?yàn)殡姍C(jī)速度可以上升和下降，從而將負(fù)載保持在所需的速度。


5G

GaN 還在 RF 領(lǐng)域提供了具體且非常有趣的前景，能夠非常有效地放大高頻信號(hào)（甚至幾千兆赫的數(shù)量級(jí)）。因此，可以創(chuàng)建能夠覆蓋相當(dāng)遠(yuǎn)距離的高頻放大器和發(fā)射器，用于雷達(dá)、預(yù)警系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和基站等應(yīng)用。

作為下一代移動(dòng)技術(shù)，5G 在更大容量和效率、更低延遲和無(wú)處不在的連接方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。使用不同的頻段，包括 sub-6-GHz 頻段和毫米波 (mmWave)（24-GHz 以上）頻段，需要 GaN 等能夠提供高帶寬、高功率密度和卓越效率的材料價(jià)值觀。由于其物理特性和晶體結(jié)構(gòu)，GaN 可以在相同的施加電壓下支持比可比較的橫向擴(kuò)散 MOSFET 器件更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)更小的占位面積。新興的 5G 技術(shù)，例如大規(guī)模多輸入多輸出 (MIMO) 和毫米波，需要專用的射頻前端芯片組。GaN-on-SiC，它將 GaN 的高功率密度與 SiC 的高導(dǎo)熱性和降低的射頻損耗相結(jié)合，被證明是高功率 5G 和射頻應(yīng)用的最合適的解決方案。目前市場(chǎng)上有幾種適用于 5G 應(yīng)用的 GaN 器件，例如用于 5G 大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用的低噪聲放大器和多通道開(kāi)關(guān)。

無(wú)線電力傳輸

GaN 最具創(chuàng)新性的應(yīng)用之一是無(wú)線充電技術(shù)，其中 GaN 的高效率通過(guò)將更多的能量傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備來(lái)降低功率損耗。這些系統(tǒng)通常包括一個(gè)射頻接收器和一個(gè)功率放大器，工作頻率為 6.78 或 13.56 MHz，并基于 GaN 器件。與傳統(tǒng)的硅基器件相比，GaN 晶體管獲得了尺寸非常緊湊的解決方案，這是無(wú)線充電應(yīng)用的關(guān)鍵因素。一個(gè)示例應(yīng)用是在無(wú)人機(jī)中，其中可用空間有限，并且可以在無(wú)人機(jī)從短距離懸停在充電器上的情況下進(jìn)行充電。

最有效的集成無(wú)線功率傳輸解決方案使用 GaN 晶體管將系統(tǒng)尺寸減小多達(dá) 2 到 3 倍，從而降低充電系統(tǒng)成本。650-V GaN e-HEMT 晶體管為高效無(wú)線充電提供了理想的解決方案，功率范圍從大約 10 W 到超過(guò) 2 kW。


數(shù)據(jù)中心

GaN 與硅的結(jié)合也為數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域提供了重要機(jī)會(huì)，其中高性能和降低成本至關(guān)重要。在云服務(wù)器 24/7 全天候運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心中，電壓轉(zhuǎn)換器被廣泛使用，典型值為 48 V、12 V 甚至更低的電壓，用于為多處理器系統(tǒng)內(nèi)核供電。隨著全球發(fā)電量的快速增長(zhǎng)，電力轉(zhuǎn)換效率已成為尋求實(shí)現(xiàn)凈零排放的公司的關(guān)鍵因素，包括運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算服務(wù)的公司。數(shù)據(jù)中心在更小的空間內(nèi)需要越來(lái)越多的功率，這是 GaN 技術(shù)可以廣泛滿足的要求，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器和電源的更高效率、尺寸減小和更好的熱管理，從而降低供應(yīng)商的成本。


總結(jié)

未來(lái)，氮化鎵也將不再局限于快充等消費(fèi)電子市場(chǎng)，可廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、航空航天、國(guó)防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。專家認(rèn)為，由于其商業(yè)化進(jìn)展快，將領(lǐng)跑第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)。