Comprenez GaN en un seul article : l'introduction la plus complète de Nanomicro, vous permettant de découvrir rapidement le semi-conducteur de troisième génération
Qu'est-ce que le nitrure de gallium (GaN) ?

Le nitrure de gallium est un composé qui combine le gallium (numéro atomique 31) et l'azote (numéro atomique 7). C'est un matériau semi-conducteur à large bande interdite avec une structure cristalline hexagonale stable. La bande interdite fait référence à l'énergie nécessaire aux électrons pour s'échapper de l'orbite nucléaire. La bande interdite du nitrure de gallium est de 3,4 eV, soit plus de trois fois celle du silicium, de sorte que le nitrure de gallium a une large bande interdite (WBG).
La largeur de bande interdite détermine le champ électrique qu'un matériau peut supporter. Le nitrure de gallium a une bande interdite plus grande que les matériaux de silicium traditionnels, il a donc une région d'appauvrissement très étroite, de sorte qu'une structure de dispositif avec une concentration de porteurs très élevée peut être développée. En raison des avantages du GaN avec des transistors plus petits, des trajets de courant plus courts et une résistance et une capacité ultra-faibles, les dispositifs de charge des chargeurs GaN fonctionnent 100 fois plus rapidement que les dispositifs au silicium traditionnels.
Plus important encore, par rapport au silicium traditionnel, le GaN peut gérer un champ électrique plus important dans un espace de dispositif plus petit tout en offrant des vitesses de commutation plus rapides. De plus, le nitrure de gallium peut fonctionner à des températures plus élevées que les dispositifs semi-conducteurs à base de silicium.
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Pourquoi le nitrure de gallium (GaN) est-il important ?
L'importance du nitrure de gallium (GaN) est devenue de plus en plus importante et croissante. Parce que comparé à la technologie traditionnelle du silicium, il offre non seulement d'excellentes performances et une large gamme d'applications, mais peut également réduire efficacement les pertes d'énergie et l'occupation de l'espace. Dans certaines R&D et applications, les dispositifs traditionnels en silicium ont atteint leurs limites physiques en termes de conversion d'énergie. Le nitrure de gallium avec une limite supérieure plus élevée peut unifier organiquement les avantages de l'efficacité de charge, de la vitesse de commutation, de la taille du produit et de la résistance à la chaleur, et est naturellement plus populaire.
Avec l'augmentation continue de la demande énergétique mondiale, l'utilisation de la technologie du nitrure de gallium peut non seulement répondre à la demande énergétique, mais aussi réduire efficacement les émissions de carbone. En fait, il a été prouvé que la conception et l'intégration de GaN servent de semi-conducteur de puissance de nouvelle génération, et son empreinte carbone est 10 fois inférieure à celle des dispositifs traditionnels à base de silicium. On estime que si les centres de données mondiaux utilisant des puces de silicium sont mis à niveau pour utiliser des puces de puissance au nitrure de gallium, les centres de données mondiaux réduiront le gaspillage d'énergie de 30 à 40 %, ce qui équivaut à économiser 100 MWh d'énergie solaire et 1,25 Des milliards de tonnes d'émissions de dioxyde de carbone.
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L'attrait du GaN n'est pas seulement l'amélioration des performances et de l'efficacité énergétique au niveau du système. Lorsque nous avons découvert que la fabrication d'une seule pièce de puce d'alimentation en nitrure de gallium, cela peut réduire de 80% la consommation de produits chimiques et d'énergie dans le processus de fabrication.En outre, cela peut économiser plus de 50% des matériaux d'emballage.Les avantages environnementaux du nitrure de gallium sera beaucoup plus gros que les matériaux traditionnels en silicium lent.
Nitrure de gallium : histoire et avenir
Le gallium n'existe pas en tant qu'élément dans la nature. Il s'agit généralement d'un sous-produit du processus de transformation de la bauxite en aluminium ou du processus de raffinage de la sphalérite en zinc. Par conséquent, l'empreinte carbone de l'extraction et du raffinage du gallium est très faible.
La production annuelle de gallium dépasse 300 tonnes et la capacité de stockage mondiale devrait dépasser 1 million de tonnes. Le gallium étant un sous-produit du traitement, son coût est relativement faible, environ 300 $ US le kilogramme, soit 200 fois moins que celui de l'or, qui est d'environ 60 000 $ US le kilogramme.
Dmitri Mendeleev a prédit l'existence du gallium en 1871. En 1875, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) découvre le gallium à Paris et le nomme d'après son latin français natal, Gallia (Gaule). Le point de fusion du nitrure de gallium pur n'est que de 30 degrés Celsius (86 degrés Fahrenheit), donc à une température corporelle normale, il fondra dans une main humaine.
Après 65 ans de plus, le GaN a été synthétisé artificiellement pour la première fois. Ce n'est que dans les années 1960 que la technologie de fabrication de couches minces monocristallines de nitrure de gallium est apparue. En tant que composé, le nitrure de gallium a un point de fusion supérieur à 1600°C, soit 200°C de plus que le silicium.
En 1972, les diodes électroluminescentes LED à base de nitrure de gallium ont été inventées (utilisant du nitrure de gallium dopé au magnésium). Il s'agit d'un événement historique marquant. Bien que les LED GaN d'origine n'étaient pas assez lumineuses pour un usage commercial, c'est la première fois que des humains produisent des LED émettant une lumière bleu-violet. En 1991, une méthode de production de LED bleues à haute luminosité a été brevetée, et deux ans plus tard, des LED bleues à haute luminosité sont nées.
L'utilisation commerciale de LED bleues à haute luminosité est un tournant dans l'industrie électronique. En ajoutant des revêtements au phosphore, les humains ont réalisé qu'il était possible de créer des LED blanches pouvant remplacer les lampes à incandescence à faible rendement. Ajoutez des LED rouges et vertes pour former un affichage à LED. Du premier téléviseur LCD à rétroéclairage LED au dernier écran OLED, cela a accéléré le remplacement du marché des téléviseurs et écrans à tube cathodique (CRT) et la disparition des produits d'écran à « transistor de déviation » à base de silicium.
Par conséquent, GaN est la technologie de base derrière les écrans couleur haute résolution que nous utilisons dans les téléviseurs, les téléphones portables, les tablettes, les ordinateurs portables et les moniteurs. En termes de photonique, le nitrure de gallium est également utilisé dans la technologie du laser bleu (notamment la tête laser à disque optique utilisée dans les lecteurs Blu-ray).
En plus de la photonique, bien que les transistors au nitrure de gallium aient publié des technologies connexes en 1993, ce n'est que vers 2004 que le premier transistor à haute mobilité électronique (HEMT) au nitrure de gallium a commencé à être disponible dans le commerce. Ces transistors sont couramment utilisés dans les infrastructures radiofréquence qui nécessitent des performances élevées et une haute tension. Quelques années plus tard, en 2008, les cristaux à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique GaN (MOSFET) (formés sur des substrats de silicium) ont été promus, mais en raison de circuits complexes et du manque de composants d'écosystème à haute fréquence, le taux d'utilisation était faible.
Fondée en 2014, la mission de Nanomicro Semiconductor est de tirer pleinement parti des avantages des dispositifs à large bande interdite des puces de puissance GaN dans un large éventail d'applications, d'offrir les vastes possibilités des applications technologiques à large bande interdite et de réaliser une révolution de la vitesse dans le domaine de l'énergie. électronique. En 2018, Nanomicro Semiconductor a été sélectionné dans la célèbre liste de startups "Silicon 60" d'EETIMEs. En 2019, Frost et Sullivan Frost et Sullivan ont reconnu la vision unique, les solutions système et les technologies de base de Nanomicro Semiconductors. On pense que Nanomicro devrait engendrer et apporter des systèmes d'alimentation de nouvelle génération basés sur GaN. La même année, Nanomicro Semiconductor a reçu le titre d'"Innovation Star" par Shanghai Zhangjiang 895 et Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance. Par la suite, en 2020, Nanomicro Semiconductor a également remporté le "Semiconductor Design Innovation Excellence Award" et le "Semiconductor Design Innovation Excellence Award" de la China Communications Industry Association (CCIA) en 2020. Prix "Aspencore Outstanding Innovative Company of the Year".
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Toujours en 2020, Nanomicro Semiconductor a annoncé plus de 100 brevets pour des dispositifs et des applications GaN.
Nanomicro Semiconductors continue de développer la série GaNFast de puces de puissance. Contrairement à la plupart des dispositifs au silicium traditionnels ou aux premiers dispositifs GaN discrets, ces dispositifs de Nanomicro Semiconductors utilisent un très petit boîtier de montage en surface QFN, qui élimine les circuits d'entraînement et de protection discrets limitant la vitesse et nuisibles, et réduit la zone de carte de circuit imprimé (PCB).
Au 1er avril 2021, Nanomicro Semiconductors a terminé l'expédition et le transport de 18,2 millions de puces d'alimentation en nitrure de gallium sans défaut.
Si vous avez besoin de vérifier les dernières informations sur l'expédition et la qualité des puces d'alimentation GaN, veuillez visiter notre page sur la qualité des produits.
Applications du GaN
Pendant longtemps, le nitrure de gallium a été utilisé dans la production de LED et de composants radiofréquence, mais maintenant, sur le marché en constante croissance des applications de commutation et de conversion de puissance, le nitrure de gallium est de plus en plus le choix principal. Et la puce de puissance à base de nitrure de gallium peut également répondre aux exigences de hautes performances, de faible encombrement et de résistance aux températures élevées.
Dans les téléphones portables et les ordinateurs portables, vous pouvez utiliser des appareils à radiofréquence basés sur GaN pour envoyer et recevoir des signaux de réseau mobile et WiFi. Les chargeurs qui chargent ces appareils utilisent de plus en plus des puces d'alimentation en nitrure de gallium. Actuellement, le plus grand marché de l'énergie GaN est le marché de la charge rapide pour les appareils mobiles. La puce d'alimentation en nitrure de gallium peut rendre la vitesse de charge du chargeur trois fois plus rapide que le chargeur traditionnel en silicium, mais la taille et le poids ne représentent que la moitié de ce dernier. Plus important encore, les chargeurs à port unique utilisant du GaN ne coûtent que la moitié du prix des anciens meilleurs chargeurs au silicium et les chargeurs GaN multiports sont plus chers que les anciens chargeurs au silicium.
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Les puces d'alimentation au nitrure de gallium peuvent également être déployées dans les serveurs des centres de données. Avec l'augmentation du trafic des centres de données, la capacité du silicium à transmettre de l'énergie a atteint la limite des « propriétés physiques ». À terme, les puces de silicium traditionnelles seront remplacées par des puces de puissance en nitrure de gallium à grande vitesse dans le domaine des puces de puissance.
L'intégration du matériel du centre de données, la nouvelle méthode d'architecture CC haute tension CCHT et la puce d'alimentation en nitrure de gallium hautement intégrée produite en série ont considérablement amélioré l'efficacité de charge. On estime que si les centres de données mondiaux utilisant des appareils au silicium sont mis à niveau vers des appareils au nitrure de gallium, les centres de données mondiaux réduiront le gaspillage d'énergie de 30 à 40 %, ce qui équivaut à économiser 100 MWh d'énergie solaire et 125 millions de tonnes d'émissions de dioxyde de carbone. . Par conséquent, l'utilisation du nitrure de gallium représente une autre étape importante vers l'objectif de « Net-Zero » dans l'industrie des centres de données.
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Dans l'industrie automobile, le GaN est en train de devenir la technologie de prédilection pour la conversion de puissance et le chargement de batteries dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles. Les produits d'alimentation à base de GaN apparaissent également de plus en plus dans les onduleurs utilisés dans les dispositifs de production d'énergie solaire, ainsi que dans les entraînements de moteur et autres solutions de conversion d'énergie industrielle.
Pourquoi le nitrure de gallium est-il meilleur que le silicium ?
Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau à "large bande interdite" (WBG). La bande interdite fait référence à l'énergie nécessaire aux électrons pour s'échapper de l'orbite nucléaire. La bande interdite du nitrure de gallium est de 3,4 ev, soit plus de trois fois celle du silicium, donc le nitrure de gallium a une large bande interdite (WBG).
La bande interdite du silicium est de 1,1 eV et la bande interdite du nitrure de gallium est de 3,4 eV. Étant donné que le matériau à large bande interdite a une intensité de champ électrique élevée et que la région d'appauvrissement est étroite et courte, une structure de dispositif avec une concentration de porteurs très élevée peut être développée. Par exemple, un transistor latéral typique au nitrure de gallium de 650 V peut supporter une tension supérieure à 800 V et sa région de dérive de drain est de 10 à 20 µm, soit environ 40 à 80 V/µm. Ceci est bien supérieur à la limite théorique de 20V/μm pour le silicium. Cependant, les dispositifs GaN sont encore bien en deçà de la limite de bande interdite d'environ 300 V/µm, ce qui laisse une énorme marge d'optimisation et d'amélioration futures.
Au niveau du dispositif, selon la situation réelle, le facteur de mérite obtenu par le produit de la résistance passante normalisée (RDS (ON)) et de la charge de grille (QG) est 5 à 20 fois meilleur que celui du silicium. En utilisant des transistors plus petits et des chemins de courant plus courts, les chargeurs GaN pourront atteindre une résistance et une capacité ultra-faibles, et la vitesse de commutation peut être multipliée par cent.
Afin de tirer pleinement parti des capacités des puces de puissance GaN, d'autres parties du circuit doivent également fonctionner efficacement à des fréquences plus élevées. Après l'ajout de la puce de contrôle ces dernières années, la fréquence de commutation du chargeur GaN a été augmentée de 65-100 kHz à plus de 1 MHz. Le nouveau contrôleur est en cours de développement. Les microcontrôleurs et les processeurs de signaux numériques (DSP) peuvent également être utilisés pour implémenter les topologies actuelles des circuits de commutation douce, et les matériaux magnétiques actuellement largement utilisés optimisés pour la gamme 1-2 MHz peuvent déjà être utilisés.
Les puces de puissance au nitrure de gallium combinent les avantages de la fréquence, de la densité et de l'efficacité dans une topologie en demi-pont. Tels que la pince active flyback, totem pole PFC et LLC. Avec le passage d'une topologie à commutation dure à une topologie à commutation douce, l'équation de perte générale du FET primaire peut être minimisée, augmentant ainsi la fréquence jusqu'à 10 fois plus élevée.
Les performances sans précédent des puces de puissance GaN deviendront un catalyseur pour la deuxième révolution de l'électronique de puissance.
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Comparaison du nitrure de gallium et du carbure de silicium
Le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) sont tous deux des matériaux à large bande interdite (WBG), qui ont de meilleures propriétés physiques que le silicium (Si). Les bandes interdites des trois matériaux sont les suivantes : Si 1,1 eV ; SiC 3,2 eV ; GaN 3,4 eV, de sorte que le nitrure de gallium et le carbure de silicium supportent des tensions plus élevées bien mieux que le silicium. La tension de claquage (en MV/cm) du nitrure de gallium et du carbure de silicium est 10 fois supérieure à celle du silicium.
La principale différence entre le nitrure de gallium et le carbure de silicium est la "vitesse" ou la "mobilité des électrons". À 2 000 /Vs, la mobilité électronique du nitrure de gallium est 30 % plus rapide que celle du silicium et 300 % plus rapide que celle du carbure de silicium, ce qui signifie que le nitrure de gallium est un gagnant à haute fréquence. Les commutateurs de puissance au nitrure de gallium sont appelés « transistors à haute mobilité électronique » (HEMT).
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Les caractéristiques de large bande interdite du GaN peuvent réduire efficacement les coûts de production et les émissions de carbone dans les applications de puces de puissance avec des tensions de 100 V à 600 V. Le carbure de silicium a une conductivité thermique plus élevée et convient aux scénarios de puissance plus élevée qui nécessitent beaucoup de dissipation thermique. L'autre différence principale entre les deux est le courant ; le carbure de silicium a les caractéristiques d'une « structure verticale », qui est plus adaptée aux applications à haute puissance ; tandis que le nitrure de gallium du nano-micro semi-conducteur a une « structure latérale », ce qui rend intégration monolithique possible. La puce en nitrure de gallium à structure horizontale intègre le FET de puissance, le pilote, la logique, la protection, le capteur et le contrôleur.
Comment les puces d'alimentation GaN peuvent-elles améliorer la conception des chargeurs à charge rapide ?
Les caractéristiques de large bande interdite du GaN peuvent réduire efficacement les coûts de production et les émissions de carbone dans les applications de puces de puissance avec des tensions de 100 V à 600 V. Le carbure de silicium a une conductivité thermique plus élevée et convient aux scénarios de puissance plus élevée qui nécessitent beaucoup de dissipation thermique. L'autre différence principale entre les deux est le courant ; le carbure de silicium a les caractéristiques d'une « structure verticale », qui est plus adaptée aux applications à haute puissance ; tandis que le nitrure de gallium du nano-micro semi-conducteur a une « structure latérale », ce qui intégration monolithique possible. La puce en nitrure de gallium à structure horizontale intègre le FET de puissance, le pilote, la logique, la protection, le capteur et le contrôleur.
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Pour obtenir une liste des chargeurs et adaptateurs au nitrure de gallium, veuillez visiter le site Web GaNFast, rechercher par puissance, marque ou taille, et consulter les avis et les liens pour acheter des chargeurs rapides au nitrure de gallium.
Qu'est-ce qu'une puce d'alimentation GaN ?
Grâce à l'emballage SMT, la puce d'alimentation GaNFast ™ GaN réalise l'intégration du dispositif GaN, du lecteur, du contrôle et de la protection. Ces puces d'alimentation GaNFast™ sont un module "digital in, power out" (digital in, power out) facile à utiliser. Étant donné que l'impédance du pilote de grille est fondamentalement nulle, aucune perte pendant la désactivation peut être obtenue après l'intégration. De plus, les performances d'ouverture peuvent être personnalisées et contrôlées en fonction des exigences spécifiques de l'application.
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