한 기사에서 GaN 이해: Nanomicro의 가장 포괄적인 소개를 통해 3세대 반도체에 대해 빠르게 알 수 있습니다.
질화갈륨(GaN)이란?

질화갈륨은 갈륨(원자번호 31)과 질소(원자번호 7)를 결합한 화합물입니다. 안정적인 육각형 결정 구조를 가진 넓은 밴드 갭 반도체 재료입니다. 밴드갭은 전자가 핵궤도에서 빠져나가는 데 필요한 에너지를 말하며, 질화갈륨의 밴드갭은 3.4eV로 실리콘의 3배 이상으로 넓은 밴드갭(WBG)을 갖는다.
금지된 대역 폭은 재료가 견딜 수 있는 전기장을 결정합니다. 질화갈륨은 기존 실리콘 소재보다 밴드갭이 커서 공핍 영역이 매우 좁아 캐리어 농도가 매우 높은 소자 구조를 개발할 수 있다. 더 작은 트랜지스터, 더 짧은 전류 경로, 초저 저항 및 커패시턴스를 갖는 GaN의 장점으로 인해 GaN 충전기의 충전 장치는 기존 실리콘 장치보다 100배 더 빠르게 작동합니다.
더 중요한 것은 기존 실리콘에 비해 GaN은 더 작은 장치 공간에서 더 큰 전기장을 처리하면서 더 빠른 스위칭 속도를 제공할 수 있다는 것입니다. 또한 질화갈륨은 실리콘 기반 반도체 소자보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다.

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질화갈륨(GaN)이 중요한 이유는 무엇입니까?
질화갈륨(GaN)의 중요성은 점점 더 두드러지고 증가하고 있습니다. 전통적인 실리콘 기술과 비교할 때 우수한 성능과 광범위한 응용 분야를 가질뿐만 아니라 에너지 손실과 공간 점유를 효과적으로 줄일 수 있기 때문입니다. 일부 R&D 및 애플리케이션에서 기존 실리콘 장치는 에너지 변환 측면에서 물리적 한계에 도달했습니다. 더 높은 상한을 가진 질화 갈륨은 충전 효율, 스위칭 속도, 제품 크기 및 내열성의 이점을 유기적으로 통합할 수 있으며 자연스럽게 더 대중적입니다.
전 세계 에너지 수요가 지속적으로 증가함에 따라 질화갈륨 기술을 사용하면 에너지 수요를 충족할 수 있을 뿐만 아니라 탄소 배출량을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 실제로 GaN의 설계 및 통합은 차세대 전력 반도체 역할을 하는 것으로 입증되었으며 탄소 발자국은 기존 실리콘 기반 장치보다 10배 더 낮습니다. 실리콘 칩 장치를 사용하는 글로벌 데이터 센터가 질화갈륨 전력 칩 장치를 사용하도록 업그레이드되면 글로벌 데이터 센터는 에너지 낭비를 30-40% 줄일 것으로 추정되며, 이는 100MWh의 태양 에너지와 1.25MWh를 절약하는 것과 같습니다. 10억 톤의 이산화탄소 배출.

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GaN의 매력은 시스템 수준에서 성능과 에너지 효율성의 개선뿐이 아닙니다. 질화갈륨 파워칩 한 조각을 제조하면 제조 공정에서 화학물질 및 에너지 소비를 80% 줄일 수 있으며 포장재를 50% 이상 절약할 수 있다는 사실을 발견했을 때 질화갈륨의 환경적 이점 기존의 느린 실리콘 재료보다 훨씬 더 큽니다.
질화갈륨: 역사와 미래
갈륨은 자연계에 원소로 존재하지 않습니다. 일반적으로 보크사이트를 알루미늄으로 가공하거나 sphalerite를 아연으로 정제하는 과정에서 생성되는 부산물입니다. 따라서 갈륨 추출 및 정제의 탄소 발자국은 매우 낮습니다.
갈륨의 연간 생산량은 300톤을 넘어 세계의 저장용량은 100만톤을 넘어설 것으로 예상된다. 갈륨은 가공 부산물이기 때문에 비용이 1kg당 300달러 정도로 비교적 저렴하며, 이는 1kg당 약 6만 달러인 금에 비해 200배 이상 저렴한 가격이다.
Dmitri Mendeleev는 1871년에 갈륨의 존재를 예측했습니다. 1875년, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran(Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran)은 파리에서 갈륨을 발견했고, 그의 이름은 그의 모국인 프랑스어 라틴어 Gallia(Gaul)의 이름을 따서 명명되었습니다. 순수한 질화갈륨의 녹는점은 섭씨 30도(화씨 86도)에 불과하므로 정상적인 체온에서는 사람의 손에서 녹습니다.
또 다른 65년 후, GaN은 처음으로 인공적으로 합성되었습니다. 질화갈륨 단결정 박막을 제조하는 기술이 등장한 것은 1960년대가 되어서였습니다. 질화갈륨은 화합물로서 융점이 1600°C 이상으로 실리콘보다 200°C 높습니다.
1972년에 질화갈륨 재료를 기반으로 한 LED 발광 다이오드가 발명되었습니다(마그네슘으로 도핑된 질화갈륨 사용). 이것은 획기적인 역사적 사건입니다. 원래의 GaN LED는 상업적으로 사용하기에 충분히 밝지 않았지만, 인간이 청자색 빛을 방출하는 LED를 생산한 것은 이번이 처음입니다. 1991년에는 고휘도의 청색 LED를 제조하는 방법이 특허를 받았고, 2년 후 고휘도의 청색 LED가 탄생했습니다.
고휘도 청색 LED의 상업적 사용은 전자 산업의 전환점입니다. 형광체 코팅을 추가함으로써 인간은 저효율 백열등을 대체할 수 있는 백색 LED를 만드는 것이 가능하다는 것을 깨달았습니다. 적색 및 녹색 LED를 추가하여 LED 기반 디스플레이를 형성합니다. 최초의 LED 백라이트 LCD TV에서 최신 OLED 스크린에 이르기까지 음극선관(CRT) TV 및 디스플레이 시장의 교체와 실리콘 기반 "편향 트랜지스터" 스크린 제품의 종말을 가속화했습니다.
따라서 GaN은 우리가 TV, 휴대폰, 태블릿, 노트북 및 모니터에 사용하는 고해상도 컬러 화면의 핵심 기술입니다. 포토닉스 측면에서 질화갈륨은 블루 레이저 기술에도 사용됩니다(특히 블루레이 플레이어에 사용되는 광 디스크 레이저 헤드).
포토닉스 외에도 질화갈륨 트랜지스터가 1993년에 관련 기술을 출시했지만 최초의 질화갈륨 HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)가 상용화되기 시작한 것은 2004년경이었습니다. 이러한 트랜지스터는 고성능 및 고전압이 요구되는 무선 주파수 인프라에 일반적으로 사용됩니다. 몇 년 후인 2008년에는 GaN 금속 산화물 반도체 전계 효과 결정(MOSFET)(실리콘 기판 위에 형성)이 추진되었지만 복잡한 회로와 고주파 생태계 구성 요소의 부족으로 활용률이 낮았습니다.
2014년에 설립된 Nanomicro Semiconductor의 사명은 광범위한 애플리케이션에서 GaN 전력 칩의 와이드 밴드갭 장치의 장점을 최대한 활용하고, 와이드 밴드갭 기술 애플리케이션의 광범위한 가능성을 제공하며, 전력 분야에서 속도 혁명을 실현하는 것입니다. 전자 제품. 2018년 Nanomicro Semiconductor는 EETIMes의 유명한 "Silicon 60" 스타트업 기업 목록에 선정되었으며, 2019년에는 Frost와 Sullivan Frost와 Sullivan이 Nanomicro Semiconductors의 독특한 비전, 시스템 솔루션 및 핵심 기술을 인정했습니다. GaN 기반 차세대 전력 시스템을 제공합니다. 같은 해에 Nanomicro Semiconductor는 Shanghai Zhangjiang 895와 Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance로부터 "Innovation Star"라는 칭호를 받았으며, 이어 2020년에는 Nanomicro Semiconductor가 "Semiconductor Design Innovation Excellence Award"와 "Semiconductor Design 2020년 중국 통신 산업 협회(CCIA)의 혁신 우수상" 수상. "올해의 Aspencore 우수 혁신 기업" 상.
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또한 2020년에 Nanomicro Semiconductor는 GaN 장치 및 응용 분야에 대한 100개 이상의 특허를 발표했습니다.
Nanomicro Semiconductors는 계속해서 GaNFast 시리즈의 전력 칩 제품을 개발하고 있습니다. 대부분의 기존 실리콘 장치 또는 초기 개별 GaN 장치와 달리 Nanomicro Semiconductors의 이러한 장치는 속도 제한 및 유해한 개별 드라이브 및 보호 회로를 제거하고 인쇄 회로 기판(PCB) 영역을 줄이는 매우 작은 표면 실장 패키지 QFN을 사용합니다.
2021년 4월 1일 현재 Nanomicro Semiconductors는 1,820만 개의 무결함 질화갈륨 전력 칩의 선적 및 운송을 완료했습니다.
최신 GaN 전력 칩 출하 및 품질 정보를 확인해야 하는 경우 제품 품질 페이지를 방문하십시오.
GaN의 응용
오랫동안 질화갈륨은 LED 및 무선 주파수 부품 생산에 사용되어 왔지만, 이제 전력 스위칭 및 변환 애플리케이션을 위한 계속 성장하는 시장에서 질화갈륨이 점점 더 주류 선택이 되고 있습니다. 또한 질화갈륨 기반 전력 칩은 고성능, 작은 공간 점유 및 고온 저항의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
휴대폰 및 노트북에서 GaN 기반 무선 주파수 장치를 사용하여 모바일 네트워크 및 WiFi 신호를 주고받을 수 있습니다. 이러한 장치를 충전하는 충전기는 점점 더 질화갈륨 전력 칩을 사용하고 있습니다. 현재 전력 GaN의 가장 큰 시장은 모바일 장치의 급속 충전 시장입니다. 질화갈륨 파워칩은 충전기의 충전 속도를 기존 실리콘 충전기보다 3배 빠르게 만들 수 있지만 크기와 무게는 후자의 절반에 불과하다. 더 중요한 것은 GaN을 사용하는 단일 포트 충전기 제품이 구형 실리콘 충전기의 절반 가격에 불과하고 다중 포트 GaN 충전기가 구형 구형 실리콘 충전기보다 비싸고 장치가 3 배 이상 저렴하다는 것입니다.

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질화갈륨 전력 칩은 데이터 센터 서버에도 배포할 수 있습니다. 데이터 센터 트래픽이 증가함에 따라 에너지를 전송하는 실리콘의 능력은 "물리적 특성"의 한계에 도달했습니다. 결국, 기존의 실리콘 칩은 전력 칩 분야에서 고속 질화갈륨 전력 칩으로 대체될 것입니다.
데이터 센터 하드웨어의 통합, 새로운 HVDC 고전압 DC 아키텍처 방식, 대량 생산된 고집적 질화갈륨 전력 칩의 통합으로 충전 효율이 크게 향상되었습니다. 실리콘 장치를 사용하는 글로벌 데이터 센터가 질화갈륨 장치로 업그레이드되면 글로벌 데이터 센터는 에너지 낭비를 30~40% 줄일 것으로 추정되며, 이는 100MWh의 태양 에너지와 1억 2,500만 톤의 이산화탄소 배출량을 절약하는 것과 같습니다. . 따라서 질화갈륨의 사용은 데이터 센터 산업에서 "Net-Zero"라는 목표를 향한 또 다른 견고한 단계를 나타냅니다.

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자동차 산업에서 GaN은 신에너지 차량 분야에서 전력 변환 및 배터리 충전에 선호되는 기술이 되고 있습니다. GaN 기반 전력 제품은 태양광 발전 장치, 모터 드라이브 및 기타 산업용 전력 변환 솔루션에 사용되는 인버터에도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
질화갈륨이 실리콘보다 좋은 이유는 무엇입니까?
질화갈륨(GaN)은 "광대역 갭"(WBG) 재료입니다. 밴드갭은 전자가 핵궤도에서 빠져나가는 데 필요한 에너지를 말하며, 질화갈륨의 밴드갭은 3.4ev로 실리콘의 3배 이상으로 넓은 밴드갭(WBG)을 갖는다.
실리콘의 밴드갭은 1.1eV이고 질화갈륨의 밴드갭은 3.4eV이다. 넓은 밴드갭 물질은 전계 강도가 높고 공핍 영역이 좁고 짧기 때문에 캐리어 농도가 매우 높은 소자 구조를 개발할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 650V 측면 질화갈륨 트랜지스터는 800V를 초과하는 전압을 지원할 수 있으며 드레인 드리프트 영역은 10-20μm 또는 약 40-80V/μm입니다. 이는 실리콘의 이론상 한계인 20V/μm보다 훨씬 높습니다. 그러나 GaN 장치는 여전히 약 300V/µm의 밴드 갭 한계보다 훨씬 낮기 때문에 향후 최적화 및 개선의 여지가 많습니다.
소자 수준에서 실제 상황에 따라 정규화된 온저항(RDS(ON))과 게이트 전하(QG)의 곱으로 얻은 성능지수는 실리콘보다 5~20배 좋다. 더 작은 트랜지스터와 더 짧은 전류 경로를 사용함으로써 GaN 충전기는 초저 저항과 커패시턴스를 달성할 수 있으며 스위칭 속도는 100배까지 증가할 수 있습니다.
GaN 전력 칩의 기능을 최대한 활용하려면 회로의 다른 부분도 더 높은 주파수에서 효율적으로 작동해야 합니다. 최근 몇 년 동안 제어 칩을 추가한 후 GaN 충전기의 스위칭 주파수가 65-100kHz에서 1MHz 이상으로 증가했습니다. 새로운 컨트롤러는 개발 중입니다. 마이크로컨트롤러와 DSP(디지털 신호 프로세서)도 현재 소프트 스위칭 회로 토폴로지를 구현하는 데 사용할 수 있으며 현재 널리 사용되는 1-2MHz 범위에 최적화된 자성 재료를 이미 사용할 수 있습니다.
질화갈륨 전력 칩은 하프 브리지 토폴로지에서 주파수, 밀도 및 효율성의 장점을 결합합니다. 활성 클램프 플라이백, 토템 폴 PFC 및 LLC와 같은. 하드 스위칭 토폴로지에서 소프트 스위칭 토폴로지로 변경하면 1차 FET의 일반적인 손실 방정식을 최소화할 수 있으므로 주파수를 10배까지 높일 수 있습니다.
GaN 전력 칩의 전례 없는 성능은 2차 전력 전자 혁명의 촉매제가 될 것입니다.

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질화갈륨과 탄화규소의 비교
질화갈륨(GaN)과 탄화규소(SiC)는 모두 WBG(광대역갭) 물질로 실리콘(Si)보다 물리적 특성이 더 우수합니다. 세 가지 재료의 밴드 갭은 Si 1.1eV, SiC 3.2eV, GaN 3.4eV이므로 질화갈륨과 탄화규소가 실리콘보다 훨씬 더 높은 전압을 처리합니다. 질화갈륨과 탄화규소의 항복 전압(MV/cm)은 실리콘보다 10배 높습니다.
질화갈륨과 탄화규소의 핵심 차이점은 "속도" 또는 "전자 이동도"입니다. 2,000 /Vs에서 질화갈륨의 전자 이동도는 실리콘보다 30% 빠르고 탄화규소보다 300% 빠르며 이는 질화갈륨이 고주파수 승자임을 의미합니다. 질화갈륨 전원 스위치는 "고전자 이동성 트랜지스터"(HEMT)라고 합니다.

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GaN의 넓은 밴드 갭 특성은 100V ~ 600V 전압의 전력 칩 애플리케이션에서 생산 비용과 탄소 배출량을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 탄화규소는 열전도율이 더 높으며 많은 열 방출이 필요한 고전력 시나리오에 적합합니다. 이 둘의 또 다른 주요 차이점은 전류이며, 실리콘 카바이드는 고전력 응용 분야에 더 적합한 "수직 구조"의 특성을 가지고 있으며, 나노 마이크로 반도체의 질화갈륨은 "측면 구조"를 가지고 있습니다. 모놀리식 통합을 가능하게 합니다. 수평 구조의 질화갈륨 칩은 전력 FET, 드라이버, 로직, 보호, 센서 및 컨트롤러를 통합합니다.
GaN 전력 칩이 고속 충전 충전기의 설계를 어떻게 개선할 수 있습니까?
GaN의 넓은 밴드 갭 특성은 100V ~ 600V의 전압을 사용하는 전력 칩 애플리케이션에서 생산 비용과 탄소 배출량을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 탄화규소는 열전도율이 더 높으며 많은 열 방출이 필요한 고전력 시나리오에 적합합니다. 두 가지의 다른 주요 차이점은 전류입니다. 모놀리식 통합이 가능합니다. 수평 구조의 질화갈륨 칩은 전력 FET, 드라이버, 로직, 보호, 센서 및 컨트롤러를 통합합니다.

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질화갈륨 충전기 및 어댑터 목록을 보려면 GaNFast 웹사이트를 방문하여 전원, 브랜드 또는 크기로 검색하고, 리뷰와 질화갈륨 급속 충전기 구매 링크를 확인하십시오.
GaN 전력 칩이란 무엇입니까?
SMT 패키징을 통해 GaNFast™ GaN 전력 칩은 GaN 장치, 드라이브, 제어 및 보호의 통합을 실현합니다. 이 GaNFast™ 전원 칩은 사용하기 쉬운 "디지털 입력, 전원 출력"(디지털 입력, 전원 출력) 모듈입니다. 게이트 드라이버의 임피던스는 기본적으로 0이기 때문에 적분 후 턴오프 시 손실 제로를 달성할 수 있다. 또한 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 개방 성능을 사용자 정의하고 제어할 수 있습니다.
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