Comprendi GaN in un articolo: l'introduzione più completa di Nanomicro, che ti porta a conoscere rapidamente il semiconduttore di terza generazione
Cos'è il nitruro di gallio (GaN)?

Il nitruro di gallio è un composto che combina gallio (numero atomico 31) e azoto (numero atomico 7). È un materiale semiconduttore a banda larga con una struttura cristallina esagonale stabile. Il band gap si riferisce all'energia necessaria agli elettroni per sfuggire dall'orbita nucleare.Il band gap del nitruro di gallio è 3,4 eV, che è più di tre volte quello del silicio, quindi il nitruro di gallio ha un ampio gap di banda (WBG).
La larghezza di banda proibita determina il campo elettrico che un materiale può sopportare. Il nitruro di gallio ha una banda proibita più ampia rispetto ai materiali tradizionali in silicio, quindi ha una regione di esaurimento molto stretta, in modo da poter sviluppare una struttura del dispositivo con una concentrazione di portatori molto elevata. A causa dei vantaggi del GaN con transistor più piccoli, percorsi di corrente più brevi e resistenza e capacità ultrabasse, i dispositivi di ricarica dei caricabatterie GaN funzionano 100 volte più velocemente dei tradizionali dispositivi al silicio.
Ancora più importante, rispetto al silicio tradizionale, il GaN può gestire un campo elettrico più ampio in uno spazio del dispositivo più piccolo, fornendo velocità di commutazione più elevate. Inoltre, il nitruro di gallio può funzionare a temperature più elevate rispetto ai dispositivi a semiconduttore a base di silicio.
1
Per
Perché il nitruro di gallio (GaN) è importante?
L'importanza del nitruro di gallio (GaN) è diventata sempre più importante e in aumento. Perché rispetto alla tradizionale tecnologia al silicio, non solo offre prestazioni eccellenti e un'ampia gamma di applicazioni, ma può anche ridurre efficacemente la perdita di energia e l'occupazione di spazio. In alcune applicazioni di ricerca e sviluppo, i dispositivi tradizionali in silicio hanno raggiunto i loro limiti fisici in termini di conversione dell'energia. Il nitruro di gallio con un limite superiore più elevato può unificare organicamente i vantaggi dell'efficienza di carica, della velocità di commutazione, delle dimensioni del prodotto e della resistenza al calore ed è naturalmente più popolare.
Con il continuo aumento della domanda globale di energia, l'uso della tecnologia al nitruro di gallio può non solo soddisfare la domanda energetica, ma anche ridurre efficacemente le emissioni di carbonio. In effetti, è stato dimostrato che il design e l'integrazione del GaN fungono da semiconduttore di potenza di nuova generazione e la sua impronta di carbonio è 10 volte inferiore a quella dei dispositivi tradizionali a base di silicio. Si stima che se i data center globali che utilizzano dispositivi con chip di silicio vengono aggiornati per utilizzare dispositivi con chip di alimentazione al nitruro di gallio, i data center globali ridurranno gli sprechi energetici del 30-40%, che equivale a risparmiare 100 MWh di energia solare e 1,25 Miliardi di tonnellate di emissioni di anidride carbonica.
2
Il fascino di GaN non è solo il miglioramento delle prestazioni e dell'efficienza energetica a livello di sistema. Quando abbiamo scoperto che la produzione di un singolo pezzo di chip di alimentazione al nitruro di gallio, può ridurre l'80% del consumo di sostanze chimiche ed energetiche nel processo di produzione.Inoltre, può risparmiare oltre il 50% dei materiali di imballaggio.I vantaggi ambientali del nitruro di gallio sarà molto molto più grande dei tradizionali materiali in silicio lento.
Nitruro di gallio: storia e futuro
Il gallio non esiste come elemento in natura. Di solito è un sottoprodotto prodotto nel processo di trasformazione della bauxite in alluminio o nel processo di raffinazione della sfalerite in zinco. Pertanto, l'impronta di carbonio dell'estrazione e della raffinazione del gallio è molto bassa.
La produzione annua di gallio supera le 300 tonnellate e la capacità di stoccaggio mondiale dovrebbe superare 1 milione di tonnellate. Poiché il gallio è un sottoprodotto della lavorazione, il costo è relativamente basso, circa 300 dollari per chilogrammo, che è 200 volte inferiore a quello dell'oro, che è di circa 60.000 dollari per chilogrammo.
Dmitri Mendeleev predisse l'esistenza del gallio nel 1871. Nel 1875, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) scoprì il gallio a Parigi e lo chiamò in onore del suo nativo latino francese, Gallia (Gallia). Il punto di fusione del nitruro di gallio puro è di soli 30 gradi Celsius (86 gradi Fahrenheit), quindi a una temperatura corporea normale, si scioglierà in una mano umana.
Dopo altri 65 anni, il GaN è stato sintetizzato artificialmente per la prima volta. Solo negli anni '60 è emersa la tecnologia per la produzione di film sottili di nitruro di gallio a cristallo singolo. Come composto, il nitruro di gallio ha un punto di fusione di oltre 1600°C, che è di 200°C superiore al silicio.
Nel 1972 sono stati inventati diodi a emissione di luce a LED basati su materiale di nitruro di gallio (utilizzando nitruro di gallio drogato con magnesio). Questo è un evento storico di riferimento. Sebbene i LED GaN originali non fossero abbastanza luminosi per l'uso commerciale, questa è la prima volta che gli esseri umani producono LED che emettono luce blu-violetta. Nel 1991 è stato brevettato un metodo per produrre LED blu ad alta luminosità e due anni dopo sono nati LED blu ad alta luminosità.
L'uso commerciale di LED blu ad alta luminosità è un punto di svolta nel settore dell'elettronica. Aggiungendo rivestimenti al fosforo, gli esseri umani si sono resi conto che è possibile creare LED bianchi in grado di sostituire le lampade a incandescenza a bassa efficienza. Aggiungi LED rossi e verdi per formare un display a LED. Dal primo televisore LCD retroilluminato a LED al più recente schermo OLED, questo ha accelerato la sostituzione del mercato dei display e dei televisori a tubo catodico (CRT) e la scomparsa dei prodotti con schermo "transistor di deflessione" a base di silicio.
Pertanto, GaN è la tecnologia principale alla base degli schermi a colori ad alta risoluzione che utilizziamo in TV, telefoni cellulari, tablet, laptop e monitor. In termini di fotonica, il nitruro di gallio viene utilizzato anche nella tecnologia laser blu (in particolare la testina laser a disco ottico utilizzata nei lettori Blu-ray).
Oltre alla fotonica, sebbene i transistor al nitruro di gallio abbiano rilasciato tecnologie correlate nel 1993, è stato solo intorno al 2004 che il primo transistor ad alta mobilità elettronica al nitruro di gallio (HEMT) ha iniziato a essere disponibile in commercio. Questi transistor sono comunemente usati nelle infrastrutture a radiofrequenza che richiedono alte prestazioni e alta tensione. Alcuni anni dopo, nel 2008, sono stati promossi cristalli a effetto di campo semiconduttore a ossido di metallo GaN (MOSFET) (formati su substrati di silicio), ma a causa dei circuiti complessi e della mancanza di componenti dell'ecosistema ad alta frequenza, il tasso di utilizzo era basso.
Fondata nel 2014, la missione di Nanomicro Semiconductor è quella di sfruttare appieno i vantaggi dei dispositivi a banda larga dei chip di potenza GaN in una vasta gamma di applicazioni, offrire le ampie possibilità di applicazioni tecnologiche a banda larga e realizzare una rivoluzione della velocità nel campo dell'alimentazione elettronica. Nel 2018, Nanomicro Semiconductor è stata selezionata nella famosa lista di startup "Silicon 60" di EETIMes. Nel 2019, Frost e Sullivan Frost e Sullivan hanno riconosciuto la visione unica, le soluzioni di sistema e le tecnologie di base di Nanomicro Semiconductors. Si ritiene che Nanomicro dovrebbe generare e portare sistemi di alimentazione di nuova generazione basati su GaN. Nello stesso anno, Nanomicro Semiconductor ha ricevuto il titolo di "Innovation Star" da Shanghai Zhangjiang 895 e Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance. Successivamente, nel 2020, Nanomicro Semiconductor ha vinto anche il "Semiconductor Design Innovation Excellence Award" e il "Semiconductor Design". Innovation Excellence Award" dalla China Communications Industry Association (CCIA) nel 2020. Premio "Aspencore Outstanding Innovative Company of the Year".
3
Sempre nel 2020, Nanomicro Semiconductor ha annunciato più di 100 brevetti per dispositivi e applicazioni GaN.
Nanomicro Semiconductors continua a sviluppare la serie GaNFast di prodotti per chip di potenza. A differenza della maggior parte dei dispositivi al silicio tradizionali o dei primi dispositivi GaN discreti, questi dispositivi di Nanomicro Semiconductors utilizzano un pacchetto QFN a montaggio superficiale molto piccolo, che elimina i circuiti di protezione e di azionamento discreti che limitano la velocità e dannosi e riduce l'area del circuito stampato (PCB).
A partire dal 1 aprile 2021, Nanomicro Semiconductors ha completato la spedizione e il trasporto di 18,2 milioni di chip di potenza al nitruro di gallio a zero guasti.
Se è necessario controllare l'ultima spedizione del chip di alimentazione GaN e le informazioni sulla qualità, visitare la nostra pagina sulla qualità del prodotto.
Applicazioni di GaN
Per molto tempo, il nitruro di gallio è stato utilizzato nella produzione di LED e componenti a radiofrequenza, ma ora, nel mercato in continua crescita per le applicazioni di commutazione e conversione di potenza, il nitruro di gallio è diventato sempre più la scelta principale. E il chip di potenza a base di nitruro di gallio può anche soddisfare i requisiti di alte prestazioni, ingombro ridotto e resistenza alle alte temperature.
Nei telefoni cellulari e nei laptop, è possibile utilizzare dispositivi a radiofrequenza basati su GaN per inviare e ricevere segnali di rete mobile e WiFi. I caricabatterie che caricano questi dispositivi utilizzano sempre più chip di potenza al nitruro di gallio. Attualmente, il più grande mercato per l'alimentazione GaN è il mercato della ricarica rapida per i dispositivi mobili. Il chip di alimentazione al nitruro di gallio può rendere la velocità di ricarica del caricabatterie tre volte più veloce rispetto al tradizionale caricabatterie al silicio, ma le dimensioni e il peso sono solo la metà di quest'ultimo. Ancora più importante, i prodotti per caricabatterie a porta singola che utilizzano GaN costano solo la metà dei vecchi migliori vecchi caricabatterie in silicio e i caricabatterie GaN multiporta sono più costosi dei vecchi caricabatterie in silicio vecchi.Il dispositivo è più di tre volte inferiore.
4
I chip di potenza al nitruro di gallio possono essere installati anche nei server dei data center. Con l'aumento del traffico dei data center, la capacità del silicio di trasmettere energia ha raggiunto il limite delle "proprietà fisiche". Alla fine, i tradizionali chip di silicio saranno sostituiti da chip di potenza al nitruro di gallio ad alta velocità nel campo dei chip di potenza.
L'integrazione dell'hardware del data center, il nuovo metodo di architettura DC ad alta tensione HVDC e il chip di alimentazione al nitruro di gallio altamente integrato prodotto in serie hanno notevolmente migliorato l'efficienza di ricarica. Si stima che se i data center globali che utilizzano dispositivi al silicio vengono aggiornati a dispositivi al nitruro di gallio, i data center globali ridurranno gli sprechi energetici del 30-40%, il che equivale a risparmiare 100 MWh di energia solare e 125 milioni di tonnellate di emissioni di anidride carbonica . Pertanto, l'uso del nitruro di gallio rappresenta un altro solido passo avanti verso l'obiettivo di "Net-Zero" nel settore dei data center.
5
Nell'industria automobilistica, GaN sta diventando la tecnologia preferita per la conversione di potenza e la ricarica delle batterie nel campo dei veicoli a nuova energia. I prodotti di alimentazione a base di GaN stanno inoltre comparendo sempre più negli inverter utilizzati nei dispositivi di generazione di energia solare, nonché negli azionamenti per motori e in altre soluzioni di conversione dell'energia industriale.
Perché il nitruro di gallio è migliore del silicio?
Il nitruro di gallio (GaN) è un materiale "wide band gap" (WBG). Il band gap si riferisce all'energia necessaria agli elettroni per fuggire dall'orbita nucleare.Il band gap del nitruro di gallio è 3.4ev, che è più di tre volte quello del silicio, quindi il nitruro di gallio ha un ampio band gap (WBG).
Il band gap del silicio è 1,1 eV e il band gap del nitruro di gallio è 3,4 eV. Poiché il materiale a banda proibita ampia ha un'elevata intensità del campo elettrico e la regione di svuotamento è stretta e corta, è possibile sviluppare una struttura del dispositivo con una concentrazione di portatori molto elevata. Ad esempio, un tipico transistor al nitruro di gallio laterale da 650 V può supportare una tensione superiore a 800 V e la sua regione di drift di drenaggio è di 10-20 μm, o circa 40-80 V/μm. Questo è molto più alto del limite teorico di 20V/μm per il silicio. Tuttavia, i dispositivi GaN sono ancora molto al di sotto del limite del gap di banda di circa 300 V/µm, il che lascia ampio spazio a future ottimizzazioni e miglioramenti.
A livello di dispositivo, a seconda della situazione reale, la cifra di merito ottenuta dal prodotto della resistenza all'accensione normalizzata (RDS (ON)) e della carica di gate (QG) è da 5 a 20 volte migliore di quella del silicio. Utilizzando transistor più piccoli e percorsi di corrente più brevi, i caricabatterie GaN saranno in grado di raggiungere una resistenza e una capacità ultrabasse e la velocità di commutazione può essere aumentata di cento volte.
Per sfruttare appieno le capacità dei chip di potenza GaN, anche altre parti del circuito devono funzionare in modo efficiente a frequenze più elevate. Dopo aver aggiunto il chip di controllo negli ultimi anni, la frequenza di commutazione del caricabatterie GaN è stata aumentata da 65-100kHz a oltre 1MHz. Il nuovo controller è in fase di sviluppo. Microcontrollori e processori di segnali digitali (DSP) possono anche essere utilizzati per implementare le attuali topologie di circuiti a commutazione graduale e possono già essere utilizzati materiali magnetici attualmente ampiamente utilizzati ottimizzati per la gamma 1-2 MHz.
I chip di potenza al nitruro di gallio combinano i vantaggi di frequenza, densità ed efficienza in una topologia a semiponte. Come flyback attivo del morsetto, totem pole PFC e LLC. Con il passaggio dalla topologia hard-switching alla topologia soft-switching, l'equazione di perdita generale del FET primario può essere ridotta al minimo, aumentando così la frequenza a 10 volte superiore.
Le prestazioni senza precedenti dei chip di potenza GaN diventeranno un catalizzatore per la seconda rivoluzione dell'elettronica di potenza.
6
Per
Confronto tra nitruro di gallio e carburo di silicio
Il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) sono entrambi materiali ad ampio bandgap (WBG), che hanno proprietà fisiche migliori del silicio (Si). I band gap dei tre materiali sono: Si 1,1 eV; SiC 3,2 eV; GaN 3,4 eV, quindi il nitruro di gallio e il carburo di silicio gestiscono tensioni più elevate molto meglio del silicio. La tensione di rottura (in MV/cm) del nitruro di gallio e del carburo di silicio è 10 volte superiore a quella del silicio.
La differenza fondamentale tra nitruro di gallio e carburo di silicio è "velocità" o "mobilità elettronica". A 2.000 /Vs, la mobilità degli elettroni del nitruro di gallio è del 30% più veloce del silicio e del 300% più veloce del carburo di silicio, il che significa che il nitruro di gallio è un vincitore ad alta frequenza. Gli interruttori di alimentazione al nitruro di gallio sono chiamati "transistor ad alta mobilità elettronica" (HEMT).
7
Le caratteristiche dell'ampia banda proibita del GaN possono ridurre efficacemente i costi di produzione e le emissioni di carbonio nelle applicazioni di chip di potenza con tensioni da 100V a 600V. Il carburo di silicio ha una maggiore conduttività termica ed è adatto a scenari di potenza più elevata che richiedono molta dissipazione del calore. L'altra principale differenza tra i due è l'attuale; il carburo di silicio ha le caratteristiche di una "struttura verticale", che è più adatta per applicazioni ad alta potenza; mentre il nitruro di gallio dei nano-micro semiconduttori ha una "struttura laterale", rendendo possibile integrazione monolitica. Il chip al nitruro di gallio con struttura orizzontale integra FET di potenza, driver, logica, protezione, sensore e controller.
In che modo i chip di alimentazione GaN possono migliorare il design dei caricabatterie a ricarica rapida?
Le caratteristiche dell'ampia banda proibita del GaN possono ridurre efficacemente i costi di produzione e le emissioni di carbonio nelle applicazioni di chip di potenza con tensioni da 100V a 600V. Il carburo di silicio ha una maggiore conduttività termica ed è adatto a scenari di potenza più elevata che richiedono molta dissipazione del calore. L'altra principale differenza tra i due è l'attuale; il carburo di silicio ha le caratteristiche di una "struttura verticale", che è più adatta per applicazioni ad alta potenza; mentre il nitruro di gallio dei nano-micro semiconduttori ha una "struttura laterale", rendendo possibile integrazione monolitica. Il chip di nitruro di gallio con struttura orizzontale integra FET di potenza, driver, logica, protezione, sensore e controller.
8
Per un elenco di caricabatterie e adattatori al nitruro di gallio, visitare il sito Web GaNFast, cercare per potenza, marca o dimensione e visualizzare recensioni e collegamenti per acquistare caricabatterie rapidi al nitruro di gallio.
Che cos'è un chip di alimentazione GaN?
Attraverso l'imballaggio SMT, il chip di alimentazione GaNast™ GaN realizza l'integrazione del dispositivo, dell'azionamento, del controllo e della protezione GaN. Questi chip di alimentazione GaNFast™ sono un modulo "digital in, power out" (digital in, power out) di facile utilizzo. Poiché l'impedenza del gate driver è sostanzialmente zero, dopo l'integrazione si può ottenere una perdita zero durante lo spegnimento. Inoltre, le prestazioni di apertura possono essere personalizzate e controllate in base a specifiche esigenze applicative.
9