Verstehen Sie GaN in einem Artikel: Die umfassendste Einführung von Nanomicro, die Sie schnell mit dem Halbleiter der dritten Generation vertraut macht
Was ist Galliumnitrid (GaN)?

Galliumnitrid ist eine Verbindung, die Gallium (Ordnungszahl 31) und Stickstoff (Ordnungszahl 7) kombiniert. Es ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke und einer stabilen hexagonalen Kristallstruktur. Die Bandlücke bezeichnet die Energie, die Elektronen benötigen, um aus der Kernbahn zu entkommen.Die Bandlücke von Galliumnitrid beträgt 3,4 eV und ist damit mehr als dreimal so groß wie die von Silizium, Galliumnitrid hat also eine breite Bandlücke (WBG).
Die verbotene Bandbreite bestimmt das elektrische Feld, dem ein Material standhalten kann. Galliumnitrid hat eine größere Bandlücke als herkömmliche Siliziummaterialien, hat also einen sehr schmalen Verarmungsbereich, so dass eine Bauelementstruktur mit einer sehr hohen Ladungsträgerkonzentration entwickelt werden kann. Aufgrund der Vorteile von GaN mit kleineren Transistoren, kürzeren Strompfaden und extrem niedrigem Widerstand und Kapazität arbeiten die Ladegeräte von GaN-Ladegeräten 100-mal schneller als herkömmliche Siliziumgeräte.
Noch wichtiger ist, dass GaN im Vergleich zu herkömmlichem Silizium ein größeres elektrisches Feld in einem kleineren Bauteilraum handhaben kann und gleichzeitig höhere Schaltgeschwindigkeiten bietet. Darüber hinaus kann Galliumnitrid bei höheren Temperaturen betrieben werden als Halbleiterbauelemente auf Siliziumbasis.
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Warum ist Galliumnitrid (GaN) wichtig?
Die Bedeutung von Galliumnitrid (GaN) ist immer wichtiger geworden und nimmt zu. Denn im Vergleich zur herkömmlichen Siliziumtechnologie bietet es nicht nur eine hervorragende Leistung und ein breites Anwendungsspektrum, sondern kann auch Energieverluste und Platzbedarf effektiv reduzieren. In einigen F&E und Anwendungen sind herkömmliche Siliziumbauelemente in Bezug auf die Energieumwandlung an ihre physikalischen Grenzen gestoßen. Galliumnitrid mit einer höheren Obergrenze kann die Vorteile von Ladeeffizienz, Schaltgeschwindigkeit, Produktgröße und Hitzebeständigkeit organisch vereinen und ist natürlich beliebter.
Mit dem kontinuierlichen Anstieg des weltweiten Energiebedarfs kann der Einsatz der Galliumnitrid-Technologie nicht nur den Energiebedarf decken, sondern auch die CO2-Emissionen effektiv reduzieren. Tatsächlich hat sich das Design und die Integration von GaN als Leistungshalbleiter der nächsten Generation erwiesen, und seine CO2-Bilanz ist zehnmal niedriger als die von herkömmlichen siliziumbasierten Geräten. Es wird geschätzt, dass die globalen Rechenzentren die Energieverschwendung um 30-40% reduzieren werden, wenn die globalen Rechenzentren, die Silizium-Chip-Geräte verwenden, auf Galliumnitrid-Power-Chip-Geräte aufgerüstet werden, was einer Einsparung von 100 MWh Solarenergie und 1,25 entspricht Milliarden Tonnen Kohlendioxidemissionen.
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Der Reiz von GaN liegt nicht nur in der Verbesserung der Leistung und Energieeffizienz auf Systemebene. Als wir entdeckten, dass die Herstellung eines einzigen Galliumnitrid-Power-Chips 80 % des Chemikalien- und Energieverbrauchs im Herstellungsprozess reduzieren kann und mehr als 50 % des Verpackungsmaterials eingespart werden kann. Die Umweltvorteile von Galliumnitrid wird viel größer sein als herkömmliche langsame Siliziummaterialien.
Galliumnitrid: Geschichte und Zukunft
Gallium kommt als Element in der Natur nicht vor. Es ist normalerweise ein Nebenprodukt, das bei der Verarbeitung von Bauxit zu Aluminium oder bei der Raffination von Sphalerit zu Zink entsteht. Daher ist der CO2-Fußabdruck der Galliumgewinnung und -raffination sehr gering.
Die jährliche Galliumproduktion übersteigt 300 Tonnen, und die weltweite Lagerkapazität wird voraussichtlich 1 Million Tonnen überschreiten. Da Gallium ein Nebenprodukt der Verarbeitung ist, sind die Kosten relativ gering, etwa 300 US-Dollar pro Kilogramm, was 200-mal niedriger ist als die von Gold, das etwa 60.000 US-Dollar pro Kilogramm beträgt.
Dmitri Mendelejew sagte 1871 die Existenz von Gallium voraus. 1875 entdeckte Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) Gallium in Paris und benannte es nach seiner französischen Muttersprache Gallia (Gaul). Der Schmelzpunkt von reinem Galliumnitrid beträgt nur 30 Grad Celsius (86 Grad Fahrenheit), so dass es bei normaler Körpertemperatur in einer menschlichen Hand schmilzt.
Nach weiteren 65 Jahren wurde GaN erstmals künstlich synthetisiert. Erst in den 1960er Jahren entstand die Technologie zur Herstellung von Galliumnitrid-Einkristall-Dünnschichten. Als Verbindung hat Galliumnitrid einen Schmelzpunkt von über 1600 °C, der 200 °C höher ist als der von Silizium.
1972 wurden LED-Leuchtdioden auf der Basis von Galliumnitrid-Material erfunden (unter Verwendung von mit Magnesium dotiertem Galliumnitrid). Dies ist ein bahnbrechendes historisches Ereignis. Obwohl die ursprünglichen GaN-LEDs für den kommerziellen Einsatz nicht hell genug waren, sind dies das erste Mal, dass Menschen LEDs hergestellt haben, die blau-violettes Licht emittieren. 1991 wurde ein Verfahren zur Herstellung von blauen LEDs mit höherer Helligkeit patentiert, und zwei Jahre später wurden blaue LEDs mit hoher Helligkeit geboren.
Die kommerzielle Nutzung von blauen LEDs mit hoher Helligkeit ist ein Wendepunkt in der Elektronikindustrie. Durch das Hinzufügen von Phosphorbeschichtungen haben die Menschen erkannt, dass es möglich ist, weiße LEDs zu schaffen, die Glühlampen mit niedrigem Wirkungsgrad ersetzen können. Fügen Sie rote und grüne LEDs hinzu, um eine LED-basierte Anzeige zu bilden. Vom ersten LCD-Fernseher mit LED-Hintergrundbeleuchtung bis zum neuesten OLED-Bildschirm hat dies die Ablösung des Marktes für Kathodenstrahlröhren (CRT)-Fernseher und -Displays und den Niedergang von siliziumbasierten "Ablenktransistor"-Bildschirmprodukten beschleunigt.
Daher ist GaN die Kerntechnologie hinter den hochauflösenden Farbbildschirmen, die wir in Fernsehern, Mobiltelefonen, Tablets, Laptops und Monitoren verwenden. In Bezug auf die Photonik wird Galliumnitrid auch in der Blaulasertechnologie verwendet (vor allem der optische Disc-Laserkopf, der in Blu-ray-Playern verwendet wird).
Neben der Photonik wurden 1993 zwar Galliumnitrid-Transistoren verwandte Technologien auf den Markt gebracht, aber erst um 2004 begann der erste Galliumnitrid-Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) kommerziell erhältlich zu sein. Diese Transistoren werden häufig in Hochfrequenzinfrastrukturen verwendet, die eine hohe Leistung und hohe Spannung erfordern. Einige Jahre später, im Jahr 2008, wurden GaN-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektkristalle (MOSFETs) (auf Siliziumsubstraten gebildet) gefördert, aber aufgrund komplexer Schaltungen und des Fehlens von Hochfrequenz-Ökosystemkomponenten war die Nutzungsrate gering.
Die 2014 gegründete Mission von Nanomicro Semiconductor ist es, die Vorteile von Wide-Bandgap-Bauelementen von GaN-Power-Chips in einer Vielzahl von Anwendungen voll auszuschöpfen, die breiten Möglichkeiten von Wide-Bandgap-Technologieanwendungen bereitzustellen und eine Geschwindigkeitsrevolution im Bereich der Stromversorgung zu realisieren Elektronik. 2018 wurde Nanomicro Semiconductor in die berühmte „Silicon 60"-Startup-Unternehmensliste von EETIMes aufgenommen. Im Jahr 2019 erkannten Frost und Sullivan Frost und Sullivan die einzigartige Vision, Systemlösungen und Kerntechnologien von Nanomicro Semiconductors. Es wird davon ausgegangen, dass Nanomicro hervorbringen wird und bringen Stromsysteme der nächsten Generation auf Basis von GaN. Im selben Jahr wurde Nanomicro Semiconductor von Shanghai Zhangjiang 895 und der Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance mit dem Titel „Innovation Star" ausgezeichnet. Anschließend gewann Nanomicro Semiconductor 2020 auch den „Semiconductor Design Innovation Excellence Award" und den „Semiconductor Designconductor Innovation Excellence Award" der China Communications Industry Association (CCIA) im Jahr 2020. Auszeichnung "Aspencore Outstanding Innovative Company of the Year".
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Ebenfalls im Jahr 2020 meldete Nanomicro Semiconductor mehr als 100 Patente für GaN-Geräte und -Anwendungen.
Nanomicro Semiconductors entwickelt weiterhin die GaNFast-Serie von Leistungschipprodukten. Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Silizium-Bauelementen oder frühen diskreten GaN-Bauelementen verwenden diese Bauelemente von Nanomicro Semiconductors ein sehr kleines QFN-Gehäuse zur Oberflächenmontage, das die geschwindigkeitsbegrenzenden und schädlichen diskreten Treiber- und Schutzschaltungen eliminiert und die Leiterplattenfläche (PCB) reduziert.
April 2021 hat Nanomicro Semiconductors die Lieferung und den Transport von 18,2 Millionen fehlerfreien Galliumnitrid-Power-Chips abgeschlossen.
Wenn Sie die neuesten Liefer- und Qualitätsinformationen für GaN-Power-Chips einsehen möchten, besuchen Sie bitte unsere Seite zur Produktqualität.
Anwendungen von GaN
Galliumnitrid wurde lange Zeit bei der Herstellung von LEDs und Hochfrequenzkomponenten verwendet, aber jetzt, auf dem ständig wachsenden Markt für Leistungsschalt- und Wandleranwendungen, hat sich Galliumnitrid zunehmend zum Mainstream entwickelt. Und der auf Galliumnitrid basierende Power-Chip kann auch die Anforderungen an hohe Leistung, geringen Platzbedarf und hohe Temperaturbeständigkeit erfüllen.
In Mobiltelefonen und Laptops können Sie GaN-basierte Hochfrequenzgeräte verwenden, um Mobilfunk- und WLAN-Signale zu senden und zu empfangen. Die Ladegeräte, die diese Geräte aufladen, verwenden zunehmend Galliumnitrid-Power-Chips. Der derzeit größte Markt für Strom-GaN ist der Schnelllademarkt für mobile Geräte. Der Galliumnitrid-Power-Chip kann die Ladegeschwindigkeit des Ladegeräts dreimal höher machen als die des herkömmlichen Silizium-Ladegeräts, aber Größe und Gewicht sind nur halb so groß. Noch wichtiger ist, dass die Single-Port-Ladegeräte, die GaN verwenden, nur halb so teuer sind wie die alten besten alten Silizium-Ladegeräte, und die Multi-Port-GaN-Ladegeräte sind teurer als die alten alten Silizium-Ladegeräte.Das Gerät ist mehr als dreimal niedriger.
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Galliumnitrid-Power-Chips können auch in Rechenzentrumsservern eingesetzt werden. Mit der Zunahme des Datenverkehrs in Rechenzentren hat die Fähigkeit von Silizium, Energie zu übertragen, die Grenze der "physikalischen Eigenschaften" erreicht. Irgendwann werden traditionelle Siliziumchips im Bereich der Leistungschips durch Hochgeschwindigkeits-Galliumnitrid-Leistungschips ersetzt.
Die Integration von Rechenzentrumshardware, die neue HVDC-Hochspannungs-DC-Architektur-Methode und der massenproduzierte, hochintegrierte Galliumnitrid-Power-Chip haben die Ladeeffizienz stark verbessert. Es wird geschätzt, dass, wenn die globalen Rechenzentren, die Siliziumgeräte verwenden, auf Galliumnitrid-Geräte aufgerüstet werden, die globalen Rechenzentren die Energieverschwendung um 30-40% reduzieren werden, was einer Einsparung von 100 MWh Sonnenenergie und 125 Millionen Tonnen Kohlendioxidemissionen entspricht . Daher stellt der Einsatz von Galliumnitrid einen weiteren soliden Schritt in Richtung des Ziels „Net-Zero“ in der Rechenzentrumsbranche dar.
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In der Automobilindustrie wird GaN zur bevorzugten Technologie zur Stromumwandlung und Batterieladung im Bereich New Energy Vehicles. GaN-basierte Stromprodukte tauchen auch zunehmend in Wechselrichtern auf, die in Solarstromerzeugungsgeräten verwendet werden, sowie in Motorantrieben und anderen industriellen Stromumwandlungslösungen.
Warum ist Galliumnitrid besser als Silizium?
Galliumnitrid (GaN) ist ein Material mit "breiter Bandlücke" (WBG). Die Bandlücke bezieht sich auf die Energie, die Elektronen benötigen, um aus der Kernbahn zu entkommen.Die Bandlücke von Galliumnitrid beträgt 3,4 ev, was mehr als dreimal so groß ist wie die von Silizium, daher hat Galliumnitrid eine breite Bandlücke (WBG).
Die Bandlücke von Silizium beträgt 1,1 eV und die Bandlücke von Galliumnitrid beträgt 3,4 eV. Da das Material mit breiter Bandlücke eine hohe elektrische Feldstärke aufweist und der Verarmungsbereich schmal und kurz ist, kann eine Vorrichtungsstruktur mit einer sehr hohen Ladungsträgerkonzentration entwickelt werden. Beispielsweise kann ein typischer lateraler 650-V-Galliumnitrid-Transistor eine Spannung von mehr als 800 V unterstützen, und sein Drain-Driftbereich beträgt 10-20 µm oder etwa 40-80 V/µm. Dies ist viel höher als die theoretische Grenze von 20 V/μm für Silizium. GaN-Bauelemente liegen jedoch immer noch weit unter der Bandlückengrenze von etwa 300 V/µm, was viel Raum für zukünftige Optimierungen und Verbesserungen lässt.
Auf Geräteebene ist die Gütezahl, die sich aus dem Produkt des normierten Ein-Widerstands (RDS (ON)) und der Gate-Ladung (QG) ergibt, je nach der tatsächlichen Situation 5 bis 20 Mal besser als die von Silizium. Durch die Verwendung kleinerer Transistoren und kürzerer Strompfade können GaN-Ladegeräte extrem niedrige Widerstände und Kapazitäten erreichen, und die Schaltgeschwindigkeit kann um das Hundertfache erhöht werden.
Um die Fähigkeiten von GaN-Leistungschips voll auszuschöpfen, müssen andere Teile der Schaltung auch bei höheren Frequenzen effizient arbeiten. Nach dem Hinzufügen des Steuerchips in den letzten Jahren wurde die Schaltfrequenz des GaN-Ladegeräts von 65-100 kHz auf über 1 MHz erhöht. Der neue Controller befindet sich in der Entwicklung. Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren (DSP) können auch verwendet werden, um aktuelle Soft-Switching-Schaltkreistopologien zu implementieren, und derzeit weit verbreitete magnetische Materialien, die für den 1-2 MHz-Bereich optimiert sind, können bereits verwendet werden.
Galliumnitrid-Leistungschips vereinen die Vorteile von Frequenz, Dichte und Effizienz in einer Halbbrückentopologie. Wie Active Clamp Flyback, Totempfahl PFC und LLC. Mit dem Wechsel von hart schaltender Topologie zu weich schaltender Topologie kann die allgemeine Verlustgleichung des primären FET minimiert werden, wodurch die Frequenz auf das 10-fache erhöht wird.
Die beispiellose Leistung von GaN-Leistungschips wird zum Katalysator für die zweite Revolution der Leistungselektronik.
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Vergleich von Galliumnitrid und Siliziumkarbid
Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) sind beides Materialien mit großer Bandlücke (WBG), die bessere physikalische Eigenschaften als Silizium (Si) aufweisen. Die Bandlücken der drei Materialien sind: Si 1,1 eV, SiC 3,2 eV, GaN 3,4 eV, sodass Galliumnitrid und Siliziumkarbid höhere Spannungen viel besser verarbeiten als Silizium. Die Durchbruchspannung (in MV/cm) von Galliumnitrid und Siliziumkarbid ist 10 mal höher als die von Silizium.
Der Kernunterschied zwischen Galliumnitrid und Siliziumkarbid ist "Geschwindigkeit" oder "Elektronenmobilität". Bei 2.000 /Vs ist die Elektronenbeweglichkeit von Galliumnitrid 30 % schneller als bei Silizium und 300 % schneller als bei Siliziumkarbid, was bedeutet, dass Galliumnitrid ein Hochfrequenz-Sieger ist. Galliumnitrid-Leistungsschalter werden als "High Electron Mobility Transistors" (HEMT) bezeichnet.
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Die Eigenschaften der großen Bandlücke von GaN können die Produktionskosten und CO2-Emissionen in Power-Chip-Anwendungen mit Spannungen von 100 V bis 600 V effektiv reduzieren. Siliziumkarbid hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eignet sich für Szenarien mit höherer Leistung, die viel Wärmeableitung erfordern. Der andere Hauptunterschied zwischen den beiden ist der Strom; Siliziumkarbid hat die Eigenschaften einer "vertikalen Struktur", die für Hochleistungsanwendungen besser geeignet ist; während das Galliumnitrid von Nano-Mikrohalbleitern eine "laterale Struktur" hat, die monolithische Integration möglich. Galliumnitrid-Chip mit horizontaler Struktur integriert Leistungs-FET, Treiber, Logik, Schutz, Sensor und Controller.
Wie können GaN-Power-Chips das Design von Schnellladegeräten verbessern?
Die Eigenschaften der großen Bandlücke von GaN können die Produktionskosten und CO2-Emissionen in Power-Chip-Anwendungen mit Spannungen von 100 V bis 600 V effektiv reduzieren. Siliziumkarbid hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eignet sich für Szenarien mit höherer Leistung, die viel Wärmeableitung erfordern. Der andere Hauptunterschied zwischen den beiden ist der Strom; Siliziumkarbid hat die Eigenschaften einer "vertikalen Struktur", die für Hochleistungsanwendungen besser geeignet ist; während das Galliumnitrid von Nano-Mikrohalbleitern eine "laterale Struktur" hat, die monolithische Integration möglich. Galliumnitrid-Chip mit horizontaler Struktur integriert Leistungs-FET, Treiber, Logik, Schutz, Sensor und Controller.
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Eine Liste von Galliumnitrid-Ladegeräten und -Adaptern finden Sie auf der GaNFast-Website, suchen Sie nach Leistung, Marke oder Größe und sehen Sie sich Rezensionen und Links zum Kauf von Galliumnitrid-Schnellladegeräten an.
Was ist ein GaN-Power-Chip?
Durch SMT-Packaging realisiert der GaNFast™ GaN-Power-Chip die Integration von GaN-Gerät, Antrieb, Steuerung und Schutz. Diese GaNFast™-Power-Chips sind ein einfach zu bedienendes "Digital In, Power Out" (Digital In, Power Out)-Modul. Da die Impedanz des Gate-Treibers im Grunde Null ist, kann nach der Integration kein Verlust beim Ausschalten erreicht werden. Darüber hinaus kann die Öffnungsleistung anwendungsspezifisch angepasst und gesteuert werden.
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