1つの記事でGaNを理解する：Nanomicroの最も包括的な紹介で、第3世代の半導体をすばやく理解することができます
窒化ガリウム（GaN）とは何ですか？

窒化ガリウムは、ガリウム（原子番号31）と窒素（原子番号7）を組み合わせた化合物です。安定した六方晶構造のワイドバンドギャップ半導体材料です。バンドギャップとは、電子が核軌道から脱出するのに必要なエネルギーのことで、窒化ガリウムのバンドギャップはシリコンの3倍以上の3.4 eVであるため、窒化ガリウムのバンドギャップ（WBG）は広くなっています。
禁止帯域幅は、材料が耐えることができる電界を決定します。窒化ガリウムは、従来のシリコン材料よりもバンドギャップが大きいため、空乏領域が非常に狭く、キャリア濃度が非常に高いデバイス構造を開発できます。より小さなトランジスタ、より短い電流経路、および超低抵抗と静電容量を備えたGaNの利点により、GaN充電器の充電デバイスは従来のシリコンデバイスよりも100倍高速に動作します。
さらに重要なことに、従来のシリコンと比較して、GaNは、より速いスイッチング速度を提供しながら、より小さなデバイススペースでより大きな電界を処理できます。さらに、窒化ガリウムはシリコンベースの半導体デバイスよりも高温で動作できます。
1
に
窒化ガリウム（GaN）が重要なのはなぜですか？
窒化ガリウム（GaN）の重要性はますます顕著になり、ますます高まっています。従来のシリコン技術と比較して、優れた性能と幅広い用途を備えているだけでなく、エネルギー損失とスペース占有を効果的に削減することができます。一部の研究開発およびアプリケーションでは、従来のシリコンデバイスはエネルギー変換の点で物理的な限界に達しています。上限が高い窒化ガリウムは、充電効率、スイッチング速度、製品サイズ、耐熱性の利点を有機的に統合することができ、当然のことながら人気があります。
世界的なエネルギー需要の継続的な増加に伴い、窒化ガリウム技術の使用は、エネルギー需要を満たすだけでなく、炭素排出量を効果的に削減することもできます。実際、GaNの設計と統合は、次世代パワー半導体として機能することが証明されており、そのカーボンフットプリントは従来のシリコンベースのデバイスの10分の1です。シリコンチップデバイスを使用するグローバルデータセンターがガリウムナイトライドパワーチップデバイスを使用するようにアップグレードされた場合、グローバルデータセンターはエネルギーの浪費を30〜40％削減すると推定されます。これは、100MWhの太陽エネルギーと1.25を節約することに相当します。数十億トンの二酸化炭素排出量。
2
GaNの魅力は、システムレベルでのパフォーマンスとエネルギー効率の向上だけではありません。窒化ガリウムパワーチップを1つ製造することで、製造工程での化学物質とエネルギーの消費量を80％削減できるほか、梱包材を50％以上節約できることを発見しました。窒化ガリウムの環境上の利点従来の低速シリコン材料よりもはるかに大きくなります。
窒化ガリウム：歴史と未来
ガリウムは自然界の元素としては存在しません。これは通常、ボーキサイトをアルミニウムに加工するプロセス、または閃亜鉛鉱を亜鉛に精製するプロセスで生成される副産物です。したがって、ガリウムの抽出と精製のカーボンフットプリントは非常に低くなります。
ガリウムの年間生産量は300トンを超え、世界の貯蔵容量は100万トンを超えると予想されています。ガリウムは加工の副産物であるため、コストは比較的低く、1キログラムあたり約300米ドルであり、1キログラムあたり約60,000米ドルである金の200分の1です。
ドミトリメンデレーエフは1871年にガリウムの存在を予測しました。 1875年、ポール・エミール・レコック・ド・ボアボードラン（ポール・エミール・レコック・ド・ボアボードラン）はパリでガリウムを発見し、生まれ故郷のフランスのラテン語であるガリア（ガリア）にちなんで名付けました。純粋な窒化ガリウムの融点は摂氏30度（華氏86度）しかないため、通常の体温では人間の手で溶けます。
さらに65年後、GaNは初めて人工的に合成されました。窒化ガリウム単結晶薄膜を製造する技術が登場したのは1960年代になってからでした。化合物として、窒化ガリウムの融点は1600°Cを超えており、シリコンよりも200°C高くなっています。
1972年に、窒化ガリウム材料に基づくLED発光ダイオードが発明されました（マグネシウムをドープした窒化ガリウムを使用）。これは画期的な歴史的イベントです。オリジナルのGaNLEDは商用利用には十分な明るさ​​ではありませんでしたが、人間が青紫色の光を発するLEDを製造したのはこれが初めてです。 1991年に高輝度青色LEDの製造方法が特許を取得し、2年後に高輝度青色LEDが誕生しました。
高輝度青色LEDの商用利用は、エレクトロニクス業界のターニングポイントです。リン光コーティングを追加することにより、人間は、低効率の白熱灯に取って代わることができる白色LEDを作成することが可能であることに気づきました。赤と緑のLEDを追加して、LEDベースのディスプレイを形成します。最初のLEDバックライト付きLCDTVから最新のOLEDスクリーンまで、これによりブラウン管（CRT）TVとディスプレイ市場の置き換えが加速し、シリコンベースの「偏向トランジスタ」スクリーン製品の終焉が加速しました。
したがって、GaNは、テレビ、携帯電話、タブレット、ラップトップ、およびモニターで使用される高解像度カラースクリーンの背後にあるコアテクノロジーです。フォトニクスに関しては、窒化ガリウムは青色レーザー技術でも使用されています（特にBlu-rayプレーヤーで使用される光ディスクレーザーヘッド）。
フォトニクスに加えて、窒化ガリウムトランジスタは1993年に関連技術をリリースしましたが、最初の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ（HEMT）が市販され始めたのは2004年頃でした。これらのトランジスタは、高性能と高電圧を必要とする無線周波数インフラストラクチャで一般的に使用されています。数年後の2008年には、GaN金属酸化物半導体電界効果結晶（MOSFET）（シリコン基板上に形成）が推進されましたが、複雑な回路と高周波エコシステムコンポーネントの欠如により、利用率は低かった。
2014年に設立されたNanomicroSemiconductorの使命は、幅広いアプリケーションでGaNパワーチップのワイドバンドギャップデバイスの利点を最大限に活用し、ワイドバンドギャップ技術アプリケーションの幅広い可能性を提供し、電力分野で速度革命を実現することです。エレクトロニクス。 2018年、Nanomicro SemiconductorはEETIMesの有名な「Silicon60」スタートアップ企業リストに選ばれました。2019年、Frost and Sullivan Frost and Sullivanは、Nanomicro Semiconductorsの独自のビジョン、システムソリューション、コアテクノロジーを認めました。Nanomicroは生まれると考えられています。 GaNをベースにした次世代の電力システムをもたらします。同年、NanomicroSemiconductorはShanghaiZhangjiang895とZhangjiangScience City ICV Pioneer Allianceから「InnovationStar」の称号を授与されました。その後、2020年にはNanomicroSemiconductorは「SemiconductorDesignInnovationExcellenceAward」と「SemiconductorDesign」も受賞しました。 2020年に中国通信産業協会（CCIA）から「イノベーションエクセレンスアワード」を受賞。「アスペンコア優秀イノベーティブカンパニーオブザイヤー」を受賞。
3
また、2020年に、NanomicroSemiconductorはGaNデバイスとアプリケーションに関する100を超える特許を発表しました。
Nanomicro Semiconductorsは、パワーチップ製品のGaNFastシリーズの開発を続けています。ほとんどの従来のシリコンデバイスや初期のディスクリートGaNデバイスとは異なり、Nanomicro Semiconductorsのこれらのデバイスは、非常に小さな表面実装パッケージQFNを使用します。これにより、速度制限や有害なディスクリートドライブおよび保護回路が排除され、プリント回路基板（PCB）の面積が削減されます。
2021年4月1日の時点で、Nanomicro Semiconductorsは、1,820万個のゼロフォールト窒化ガリウムパワーチップの出荷と輸送を完了しました。
最新のGaNパワーチップの出荷と品質情報を確認する必要がある場合は、製品品質のページにアクセスしてください。
GaNの応用
窒化ガリウムは長い間、LEDや無線周波数部品の製造に使用されてきましたが、現在、電力スイッチングおよび変換アプリケーションの成長を続ける市場では、窒化ガリウムがますます主流の選択肢になっています。また、窒化ガリウムをベースにしたパワーチップは、高性能、小さなスペース占有、および高温耐性の要件を満たすこともできます。
携帯電話やラップトップでは、GaNベースの無線周波数デバイスを使用してモバイルネットワークやWiFi信号を送受信できます。これらのデバイスを充電する充電器は、窒化ガリウムパワーチップをますます使用しています。現在、パワーGaNの最大の市場は、モバイルデバイスの急速充電市場です。窒化ガリウムパワーチップは、充電器の充電速度を従来のシリコン充電器の3倍速くすることができますが、サイズと重量は後者の半分にすぎません。さらに重要なことに、GaNを使用したシングルポート充電器製品は、古い最高の古いシリコン充電器の半分の価格であり、マルチポートGaN充電器は、古い古いシリコン充電器よりも高価です。デバイスは3分の1以上低くなっています。
4
窒化ガリウムパワーチップは、データセンターサーバーにも導入できます。データセンターのトラフィックの増加に伴い、エネルギーを伝達するシリコンの能力は「物理的特性」の限界に達しています。最終的には、従来のシリコンチップは、パワーチップの分野で高速窒化ガリウムパワーチップに置き換えられます。
データセンターハードウェアの統合、新しいHVDC高電圧DCアーキテクチャ方式、および大量生産された高度に統合された窒化ガリウムパワーチップにより、充電効率が大幅に向上しました。シリコンデバイスを使用するグローバルデータセンターを窒化ガリウムデバイスにアップグレードすると、グローバルデータセンターはエネルギーの浪費を30〜40％削減すると推定されます。これは、100MWhの太陽エネルギーと1億2500万トンの二酸化炭素排出量の節約に相当します。 。したがって、窒化ガリウムの使用は、データセンター業界における「ネットゼロ」の目標に向けたもう1つの確かな一歩を表しています。
5
自動車産業では、GaNは新エネルギー車の分野で電力変換とバッテリー充電に好まれる技術になりつつあります。 GaNベースの電力製品は、太陽光発電デバイスで使用されるインバーターや、モータードライブやその他の産業用電力変換ソリューションにもますます登場しています。
窒化ガリウムがシリコンよりも優れているのはなぜですか？
窒化ガリウム（GaN）は、「ワイドバンドギャップ」（WBG）材料です。バンドギャップとは、電子が核軌道から脱出するのに必要なエネルギーのことで、窒化ガリウムのバンドギャップはシリコンの3倍以上の3.4evであるため、窒化ガリウムのバンドギャップ（WBG）は広い。
シリコンのバンドギャップは1.1eV、窒化ガリウムのバンドギャップは3.4eVです。ワイドバンドギャップ材料は電界強度が高く、空乏領域が狭く短いため、キャリア濃度が非常に高いデバイス構造を開発できます。たとえば、一般的な650Vの横型窒化ガリウムトランジスタは800Vを超える電圧をサポートでき、そのドレインドリフト領域は10〜20μm、つまり約40〜80V /μmです。これは、シリコンの理論上の限界である20V /μmよりもはるかに高くなっています。ただし、GaNデバイスは依然として約300V / µmのバンドギャップ制限をはるかに下回っており、将来の最適化と改善の余地が非常に大きくなっています。
デバイスレベルでは、実際の状況に応じて、正規化されたオン抵抗（RDS（ON））とゲート電荷（QG）の積によって得られる性能指数は、シリコンの5〜20倍優れています。より小さなトランジスタとより短い電流経路を使用することにより、GaN充電器は超低抵抗と静電容量を達成することができ、スイッチング速度を100倍に上げることができます。
GaNパワーチップの機能を最大限に活用するには、回路の他の部分もより高い周波数で効率的に動作する必要があります。近年、制御チップを追加した後、GaN充電器のスイッチング周波数は65-100kHzから1MHz以上に増加しました。新しいコントローラーは開発中です。マイクロコントローラーとデジタルシグナルプロセッサー（DSP）を使用して、現在のソフトスイッチング回路トポロジを実装することもできます。現在広く使用されている1〜2MHzの範囲に最適化された磁性材料をすでに使用できます。
窒化ガリウムパワーチップは、ハーフブリッジトポロジで周波数、密度、効率の利点を兼ね備えています。アクティブクランプフライバック、トーテムポールPFC、LLCなど。ハードスイッチングトポロジからソフトスイッチングトポロジへの変更により、プライマリFETの一般的な損失方程式を最小限に抑えることができるため、周波数が10倍になります。
GaNパワーチップの前例のない性能は、第2のパワーエレクトロニクス革命の触媒となるでしょう。
6
に
窒化ガリウムと炭化ケイ素の比較
窒化ガリウム（GaN）と炭化ケイ素（SiC）はどちらもワイドバンドギャップ（WBG）材料であり、シリコン（Si）よりも優れた物理的特性を備えています。 3つの材料のバンドギャップは、Si 1.1eV、SiC 3.2eV、GaN 3.4eVであるため、窒化ガリウムと炭化ケイ素は、シリコンよりもはるかに高い電圧を処理します。窒化ガリウムと炭化ケイ素の絶縁破壊電圧（MV / cm）は、シリコンの10倍です。
窒化ガリウムと炭化ケイ素の主な違いは、「速度」または「電子移動度」です。 2,000 / Vsでは、窒化ガリウムの電子移動度はシリコンより30％速く、炭化ケイ素より300％速いため、窒化ガリウムが高周波の勝者です。窒化ガリウムパワースイッチは「高電子移動度トランジスタ」（HEMT）と呼ばれます。
7
GaNのワイドバンドギャップ特性は、100Vから600Vの電圧のパワーチップアプリケーションでの製造コストと炭素排出量を効果的に削減できます。炭化ケイ素は熱伝導率が高く、多くの熱放散を必要とする高出力シナリオに適しています。両者のもう1つの主な違いは電流です。炭化ケイ素は「垂直構造」の特性を備えており、高電力アプリケーションにより適しています。一方、ナノマイクロ半導体の窒化ガリウムは「側面構造」を備えているため、モノリシック統合が可能です。水平構造の窒化ガリウムチップは、パワーFET、ドライバー、ロジック、保護、センサー、コントローラーを統合しています。
GaNパワーチップはどのようにして急速充電充電器の設計を改善できますか？
GaNのワイドバンドギャップ特性は、100Vから600Vの電圧のパワーチップアプリケーションでの製造コストと炭素排出量を効果的に削減できます。炭化ケイ素は熱伝導率が高く、多くの熱放散を必要とする高出力シナリオに適しています。両者のもう1つの主な違いは電流です。炭化ケイ素は「垂直構造」の特性を備えており、高電力アプリケーションにより適しています。一方、ナノマイクロ半導体の窒化ガリウムは「側面構造」を備えているため、モノリシック統合が可能です。水平構造の窒化ガリウムチップは、パワーFET、ドライバー、ロジック、保護、センサー、コントローラーを統合しています。
8
窒化ガリウム充電器とアダプターのリストについては、GaNFast Webサイトにアクセスし、電力、ブランド、またはサイズで検索し、レビューとリンクを表示して窒化ガリウム急速充電器を購入してください。
GaNパワーチップとは何ですか？
SMTパッケージングにより、GaNFast™GaNパワーチップは、GaNデバイス、ドライブ、制御、および保護の統合を実現します。これらのGaNFast™パワーチップは、使いやすい「デジタル入力、電源出力」（デジタル入力、電源出力）モジュールです。ゲートドライバのインピーダンスは基本的にゼロであるため、積分後にターンオフ中の損失をゼロにすることができます。さらに、オープニングパフォーマンスは、特定のアプリケーション要件に応じてカスタマイズおよび制御できます。
9