Изучите GaN в одной статье: наиболее полное введение в Nanomicro, позволяющее быстро познакомиться с полупроводниками третьего поколения
Что такое нитрид галлия (GaN)?

Нитрид галлия - это соединение, в котором сочетаются галлий (атомный номер 31) и азот (атомный номер 7). Это широкозонный полупроводниковый материал со стабильной гексагональной кристаллической структурой. Ширина запрещенной зоны относится к энергии, необходимой для выхода электронов с ядерной орбиты. Ширина запрещенной зоны нитрида галлия составляет 3,4 эВ, что более чем в три раза больше, чем у кремния, поэтому нитрид галлия имеет широкую запрещенную зону.
Ширина запрещенной зоны определяет электрическое поле, которое может выдержать материал. Нитрид галлия имеет большую ширину запрещенной зоны, чем традиционные кремниевые материалы, поэтому он имеет очень узкую обедненную область, так что можно разработать структуру устройства с очень высокой концентрацией носителей. Благодаря преимуществам GaN с меньшими транзисторами, более короткими путями тока и сверхнизким сопротивлением и емкостью зарядные устройства GaN-зарядных устройств работают в 100 раз быстрее, чем традиционные кремниевые устройства.
Что еще более важно, по сравнению с традиционным кремнием, GaN может обрабатывать большее электрическое поле в меньшем пространстве устройства, обеспечивая при этом более высокие скорости переключения. Кроме того, нитрид галлия может работать при более высоких температурах, чем полупроводниковые устройства на основе кремния.
1
К
Почему важен нитрид галлия (GaN)?
Значение нитрида галлия (GaN) становится все более заметным и возрастающим. Поскольку по сравнению с традиционной кремниевой технологией, он не только имеет отличную производительность и широкий спектр приложений, но также может эффективно снизить потери энергии и занимаемое пространство. В некоторых исследованиях, разработках и приложениях традиционные кремниевые устройства достигли своих физических ограничений с точки зрения преобразования энергии. Нитрид галлия с более высоким верхним пределом может органично объединить преимущества эффективности зарядки, скорости переключения, размера продукта и термостойкости и, естественно, более популярен.
В условиях непрерывного роста глобального спроса на энергию использование технологии нитрида галлия может не только удовлетворить потребность в энергии, но и эффективно сократить выбросы углерода. Фактически, конструкция и интеграция GaN доказали, что он служит силовым полупроводником следующего поколения, а его углеродный след в 10 раз меньше, чем у традиционных устройств на основе кремния. По оценкам, если глобальные центры обработки данных, использующие устройства на кремниевых микросхемах, будут модернизированы для использования устройств питания на основе нитрида галлия, то глобальные центры обработки данных сократят потери энергии на 30-40%, что эквивалентно экономии 100 МВт · ч солнечной энергии и 1,25 млн. Миллиард тонн выбросов углекислого газа.
2
Привлекательность GaN заключается не только в улучшении производительности и энергоэффективности на системном уровне. Когда мы обнаружили, что изготовление одного элемента силового чипа из нитрида галлия позволяет снизить потребление химических веществ и энергии в производственном процессе на 80%. Кроме того, это позволяет сэкономить более 50% упаковочных материалов. Преимущества нитрида галлия для окружающей среды. будет намного больше, чем традиционные медленные кремниевые материалы.
Нитрид галлия: история и будущее
Галлий как элемент в природе не существует. Обычно это побочный продукт, получаемый в процессе переработки боксита в алюминий или в процессе переработки сфалерита в цинк. Таким образом, углеродный след при добыче и переработке галлия очень низок.
Годовой объем производства галлия превышает 300 тонн, а мировые хранилища, как ожидается, превысят 1 миллион тонн. Поскольку галлий является побочным продуктом переработки, его стоимость относительно невысока, около 300 долларов США за килограмм, что в 200 раз ниже, чем стоимость золота, которая составляет около 60 000 долларов США за килограмм.
Дмитрий Менделеев предсказал существование галлия в 1871 году. В 1875 году Поль-Эмиль Лекок де Буабодран (Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran) открыл галлий в Париже и назвал его в честь своей родной французской латыни - Галлии (Галлии). Температура плавления чистого нитрида галлия составляет всего 30 градусов по Цельсию (86 градусов по Фаренгейту), поэтому при нормальной температуре тела он плавится в руке человека.
Еще через 65 лет GaN был впервые синтезирован искусственно. Только в 1960-х годах появилась технология производства тонких пленок из монокристаллов нитрида галлия. В качестве соединения нитрид галлия имеет температуру плавления более 1600 ° C, что на 200 ° C выше, чем у кремния.
В 1972 году были изобретены светодиодные светодиоды на основе материала нитрида галлия (с использованием нитрида галлия, легированного магнием). Это знаковое историческое событие. Хотя оригинальные светодиоды на основе GaN не были достаточно яркими для коммерческого использования, это первый случай, когда люди создали светодиоды, излучающие сине-фиолетовый свет. В 1991 году был запатентован метод производства синих светодиодов повышенной яркости, а два года спустя родились синие светодиоды высокой яркости.
Коммерческое использование синих светодиодов высокой яркости стало поворотным моментом в электронной промышленности. Добавляя люминофорные покрытия, люди поняли, что можно создавать белые светодиоды, которые могут заменить низкоэффективные лампы накаливания. Добавьте красный и зеленый светодиоды, чтобы сформировать светодиодный дисплей. От первого ЖК-телевизора со светодиодной подсветкой до новейшего OLED-экрана это ускорило замену рынка телевизоров и дисплеев с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), а также упадок экранных продуктов на основе кремниевых «отклоняющих транзисторов».
Таким образом, GaN является основной технологией цветных экранов с высоким разрешением, которые мы используем в телевизорах, мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках и мониторах. Что касается фотоники, нитрид галлия также используется в голубой лазерной технологии (в первую очередь, в лазерной головке оптического диска, используемой в проигрывателях Blu-ray).
В дополнение к фотонике, хотя транзисторы из нитрида галлия выпустили соответствующие технологии в 1993 году, только примерно в 2004 году первый транзистор из нитрида галлия с высокой подвижностью электронов (HEMT) стал коммерчески доступным. Эти транзисторы обычно используются в радиочастотной инфраструктуре, которая требует высокой производительности и высокого напряжения. Несколькими годами позже, в 2008 году, были проданы полевые кристаллы (МОП-транзисторы) на основе металлооксидных полупроводников GaN (сформированные на кремниевых подложках), но из-за сложных схем и отсутствия высокочастотных компонентов экосистемы коэффициент использования был низким.
Миссия компании Nanomicro Semiconductor, основанной в 2014 году, заключается в том, чтобы в полной мере использовать преимущества устройств с широкой запрещенной зоной на основе силовых чипов на основе GaN в широком спектре приложений, предоставить широкие возможности применения технологии с широкой запрещенной зоной и осуществить революцию в скорости в области энергетики. электроника. В 2018 году Nanomicro Semiconductor была выбрана в знаменитый список стартапов EETIMes "Silicon 60". В 2019 году Фрост, Салливан Фрост и Салливан признали уникальное видение, системные решения и основные технологии Nanomicro Semiconductors. и внедрить энергосистемы нового поколения на основе GaN. В том же году компания Nanomicro Semiconductor была удостоена звания «Звезда инноваций» от Shanghai Zhangjiang 895 и Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance. Впоследствии, в 2020 году, Nanomicro Semiconductor также выиграла «Премию за выдающиеся достижения в области разработки полупроводников» и «Дизайн полупроводников Награда за выдающиеся достижения в области инноваций »от Китайской ассоциации индустрии связи (CCIA) в 2020 году. Награда« Лучшая инновационная компания года Aspencore ».
3
Также в 2020 году Nanomicro Semiconductor анонсировала более 100 патентов на устройства и приложения из GaN.
Nanomicro Semiconductors продолжает разрабатывать серию продуктов для силовых чипов GaNFast. В отличие от большинства традиционных кремниевых устройств или ранних дискретных устройств GaN, эти устройства Nanomicro Semiconductors используют очень маленький корпус для поверхностного монтажа QFN, который устраняет ограничивающие скорость и вредные дискретные схемы привода и защиты, а также уменьшает площадь печатной платы (PCB).
По состоянию на 1 апреля 2021 года компания Nanomicro Semiconductors завершила отгрузку и транспортировку 18,2 миллиона исправных микросхем из нитрида галлия.
Если вам нужно проверить последние поставки микросхем питания GaN и информацию о качестве, посетите нашу страницу качества продукции.
Применение GaN
В течение долгого времени нитрид галлия использовался в производстве светодиодов и радиочастотных компонентов, но теперь, на постоянно растущем рынке устройств переключения и преобразования мощности, нитрид галлия становится все более популярным. И чип питания на основе нитрида галлия также может отвечать требованиям высокой производительности, небольшой занимаемой площади и высокой термостойкости.
В мобильных телефонах и ноутбуках вы можете использовать радиочастотные устройства на основе GaN для отправки и приема сигналов мобильной сети и WiFi. Зарядные устройства, которые заряжают эти устройства, все чаще используют микросхемы питания из нитрида галлия. В настоящее время крупнейшим рынком для Power GaN является рынок быстрой зарядки для мобильных устройств. Чип питания из нитрида галлия может увеличить скорость зарядки зарядного устройства в три раза по сравнению с традиционным кремниевым зарядным устройством, но размер и вес составляют лишь половину от последнего. Что еще более важно, однопортовые зарядные устройства, использующие GaN, стоят лишь вдвое дешевле, чем старые лучшие старые кремниевые зарядные устройства, а многопортовые зарядные устройства на основе GaN дороже, чем старые старые кремниевые зарядные устройства. Устройство более чем в три раза дешевле.
4
Чипы питания из нитрида галлия также могут быть установлены на серверах центров обработки данных. С увеличением трафика центров обработки данных способность кремния передавать энергию достигла предела «физических свойств». Со временем традиционные кремниевые чипы будут заменены высокоскоростными силовыми чипами из нитрида галлия в области силовых чипов.
Интеграция оборудования центра обработки данных, новый метод архитектуры высоковольтного постоянного тока HVDC и серийно выпускаемый высокоинтегрированный силовой чип из нитрида галлия значительно повысили эффективность зарядки. По оценкам, если глобальные центры обработки данных, использующие кремниевые устройства, будут модернизированы до устройств из нитрида галлия, глобальные центры обработки данных сократят потери энергии на 30-40%, что эквивалентно экономии 100 МВт · ч солнечной энергии и 125 миллионов тонн выбросов углекислого газа. . Таким образом, использование нитрида галлия представляет собой еще один твердый шаг к достижению цели «Net-Zero» в индустрии центров обработки данных.
5
В автомобильной промышленности GaN становится предпочтительной технологией для преобразования энергии и зарядки аккумуляторов в транспортных средствах на новой энергии. Энергетические продукты на основе GaN также все чаще используются в инверторах, используемых в устройствах для выработки солнечной энергии, а также в приводах двигателей и других промышленных решениях по преобразованию энергии.
Почему нитрид галлия лучше кремния?
Нитрид галлия (GaN) представляет собой материал с «широкой запрещенной зоной» (WBG). Ширина запрещенной зоны относится к энергии, необходимой для выхода электронов с ядерной орбиты. Ширина запрещенной зоны нитрида галлия составляет 3,4 эв, что более чем в три раза больше, чем у кремния, поэтому нитрид галлия имеет широкую запрещенную зону (WBG).
Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, а ширина запрещенной зоны нитрида галлия составляет 3,4 эВ. Поскольку материал с широкой запрещенной зоной имеет высокую напряженность электрического поля, а обедненная область узкая и короткая, может быть разработана конструкция устройства с очень высокой концентрацией носителей заряда. Например, типичный боковой транзистор из нитрида галлия 650 В может поддерживать напряжение, превышающее 800 В, а его область дрейфа стока составляет 10-20 мкм, или около 40-80 В / мкм. Это намного выше теоретического предела 20 В / мкм для кремния. Однако устройства на основе GaN все еще намного ниже предельной ширины запрещенной зоны, составляющей около 300 В / мкм, что оставляет огромные возможности для будущей оптимизации и усовершенствования.
На уровне устройства, в соответствии с реальной ситуацией, добротность, полученная путем произведения нормированного сопротивления в открытом состоянии (RDS (ON)) и заряда затвора (QG), в 5-20 раз лучше, чем у кремния. Используя транзисторы меньшего размера и более короткие пути тока, зарядные устройства на основе GaN смогут достичь сверхнизкого сопротивления и емкости, а скорость переключения может быть увеличена в сотни раз.
Чтобы в полной мере использовать возможности силовых чипов на основе GaN, другие части схемы также должны эффективно работать на более высоких частотах. После добавления управляющего чипа в последние годы частота переключения зарядного устройства GaN была увеличена с 65–100 кГц до более 1 МГц. Новый контроллер находится в стадии разработки. Микроконтроллеры и процессоры цифровых сигналов (DSP) также могут использоваться для реализации текущих топологий схем с мягкой коммутацией, и уже можно использовать широко используемые в настоящее время магнитные материалы, оптимизированные для диапазона 1-2 МГц.
Силовые чипы из нитрида галлия сочетают в себе преимущества частоты, плотности и эффективности в полумостовой топологии. Такие как активный обратный зажим зажима, тотемный столб PFC и LLC. При переходе от топологии с жестким переключением к топологии с мягким переключением общее уравнение потерь первичного полевого транзистора может быть минимизировано, тем самым увеличивая частоту до 10 раз.
Беспрецедентные характеристики силовых чипов на основе GaN станут катализатором второй революции в силовой электронике.
6
К
Сравнение нитрида галлия и карбида кремния
Нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) - это материалы с широкой запрещенной зоной (WBG), которые обладают лучшими физическими свойствами, чем кремний (Si). Ширина запрещенной зоны трех материалов составляет: Si 1,1 эВ; SiC 3,2 эВ; GaN 3,4 эВ, поэтому нитрид галлия и карбид кремния справляются с более высокими напряжениями намного лучше, чем кремний. Напряжение пробоя (в МВ / см) нитрида галлия и карбида кремния в 10 раз выше, чем у кремния.
Основное различие между нитридом галлия и карбидом кремния - это «скорость» или «подвижность электронов». При 2000 / Vs подвижность электронов нитрида галлия на 30% быстрее, чем у кремния, и на 300% быстрее, чем у карбида кремния, что означает, что нитрид галлия является победителем в области высоких частот. Силовые переключатели из нитрида галлия называются «транзисторами с высокой подвижностью электронов» (HEMT).
7
Характеристики широкой запрещенной зоны GaN могут эффективно снизить производственные затраты и выбросы углерода в силовых микросхемах с напряжением от 100 до 600 В. Карбид кремния имеет более высокую теплопроводность и подходит для сценариев с более высокой мощностью, которые требуют большого рассеивания тепла. Другое главное различие между ними - ток; карбид кремния имеет характеристики «вертикальной структуры», которая больше подходит для приложений с большой мощностью; в то время как нитрид галлия в наномикропроводнике имеет «боковую структуру», что делает возможна монолитная интеграция. Чип из нитрида галлия с горизонтальной структурой объединяет силовой полевой транзистор, драйвер, логику, защиту, датчик и контроллер.
Как микросхемы питания GaN могут улучшить конструкцию зарядных устройств для быстрой зарядки?
Характеристики широкой запрещенной зоны GaN могут эффективно снизить производственные затраты и выбросы углерода в силовых микросхемах с напряжением от 100 В до 600 В. Карбид кремния имеет более высокую теплопроводность и подходит для сценариев с более высокой мощностью, которые требуют большого рассеивания тепла. Другое главное различие между ними - ток; карбид кремния имеет характеристики «вертикальной структуры», которая больше подходит для приложений с большой мощностью; в то время как нитрид галлия в наномикропроводнике имеет «боковую структуру», что делает возможна монолитная интеграция. Чип из нитрида галлия с горизонтальной структурой объединяет силовой полевой транзистор, драйвер, логику, защиту, датчик и контроллер.
8
Чтобы получить список зарядных устройств и адаптеров из нитрида галлия, посетите веб-сайт GaNFast, выполните поиск по мощности, марке или размеру, а также просмотрите обзоры и ссылки для покупки быстрых зарядных устройств из нитрида галлия.
Что такое микросхема питания GaN?
Благодаря корпусу SMT силовой чип GaNFast ™ GaN реализует интеграцию устройства, привода, управления и защиты GaN. Эти микросхемы питания GaNFast ™ представляют собой простой в использовании модуль «цифровой вход, питание» (цифровой вход, питание). Поскольку импеданс драйвера затвора в основном равен нулю, нулевые потери при выключении могут быть достигнуты после интегрирования. Кроме того, производительность открывания можно настраивать и контролировать в соответствии с требованиями конкретного приложения.