GaN'i tek bir makalede anlayın: Nanomicro'nun üçüncü nesil yarı iletkeni hızlı bir şekilde tanımanızı sağlayan en kapsamlı tanıtımı
Galyum nitrür (GaN) nedir?

Galyum nitrür, galyum (atom numarası 31) ve nitrojeni (atom numarası 7) birleştiren bir bileşiktir. Kararlı altıgen kristal yapıya sahip geniş bant aralıklı yarı iletken bir malzemedir. Bant aralığı, elektronların nükleer yörüngeden kaçması için gereken enerjiyi ifade eder.Galyum nitrürün bant aralığı, silisyumun üç katından daha fazla olan 3.4 eV'dir, dolayısıyla galyum nitrür geniş bir bant aralığına (WBG) sahiptir.
Yasak bant genişliği, bir malzemenin dayanabileceği elektrik alanını belirler. Galyum nitrür, geleneksel silikon malzemelerden daha büyük bir bant aralığına sahiptir, bu nedenle çok dar bir tükenme bölgesine sahiptir, böylece çok yüksek bir taşıyıcı konsantrasyonuna sahip bir cihaz yapısı geliştirilebilir. GaN'nin daha küçük transistörler, daha kısa akım yolları ve ultra düşük direnç ve kapasitans ile avantajları nedeniyle, GaN şarj cihazlarının şarj cihazları, geleneksel silikon cihazlardan 100 kat daha hızlı çalışır.
Daha da önemlisi, geleneksel silikonla karşılaştırıldığında GaN, daha hızlı anahtarlama hızları sağlarken daha küçük bir cihaz alanında daha büyük bir elektrik alanını işleyebilir. Ayrıca galyum nitrür, silikon bazlı yarı iletken cihazlardan daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir.
1
için
Galyum nitrür (GaN) neden önemlidir?
Galyum nitrürün (GaN) önemi giderek daha belirgin hale geldi ve artıyor. Çünkü geleneksel silikon teknolojisi ile karşılaştırıldığında, sadece mükemmel performansa ve geniş bir uygulama yelpazesine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda enerji kaybını ve yer işgalini de etkili bir şekilde azaltabilir. Bazı Ar-Ge ve uygulamalarda geleneksel silikon cihazlar, enerji dönüşümü açısından fiziksel sınırlarına ulaşmıştır. Daha yüksek bir üst limite sahip galyum nitrür, şarj verimliliği, anahtarlama hızı, ürün boyutu ve ısı direnci avantajlarını organik olarak birleştirebilir ve doğal olarak daha popülerdir.
Küresel enerji talebinin sürekli artmasıyla birlikte, galyum nitrür teknolojisinin kullanımı sadece enerji talebini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda karbon emisyonlarını da etkili bir şekilde azaltır. Aslında, GaN'nin tasarımı ve entegrasyonunun yeni nesil bir güç yarı iletkeni olarak hizmet ettiği kanıtlanmıştır ve karbon ayak izi, geleneksel silikon bazlı cihazlardan 10 kat daha düşüktür. Silikon çipli cihazlar kullanan küresel veri merkezlerinin galyum nitrür güç çipli cihazları kullanacak şekilde yükseltilmesi durumunda, küresel veri merkezlerinin enerji israfını %30-40 oranında azaltacağı tahmin edilmektedir, bu da 100 MWh güneş enerjisi ve 1,25 MWh enerji tasarrufuna eşdeğerdir. Milyar ton karbondioksit salınımı.
2
GaN'nin çekiciliği yalnızca sistem düzeyinde performans ve enerji verimliliğindeki gelişme değildir. Tek parça galyum nitrür güç çipi üretmenin, üretim sürecinde kimyasal ve enerji tüketimini %80 azaltabileceğini keşfettiğimizde, ayrıca, ambalaj malzemelerinde %50'den fazla tasarruf sağlayabilir.Galyum nitrürün çevresel avantajları geleneksel yavaş silikon malzemelerden çok daha büyük olacaktır.
Galyum Nitrür: Tarih ve Gelecek
Galyum doğada bir element olarak mevcut değildir. Genellikle boksitin alüminyuma işlenmesi sürecinde veya sfaleritin çinkoya rafine edilmesi sürecinde üretilen bir yan üründür. Bu nedenle, galyum ekstraksiyonu ve rafine edilmesinin karbon ayak izi çok düşüktür.
Yıllık galyum üretimi 300 tonu aşıyor ve dünyanın depolama kapasitesinin 1 milyon tonu aşması bekleniyor. Galyum işlemenin bir yan ürünü olduğundan, maliyeti nispeten düşüktür, kilogram başına yaklaşık 300 ABD Doları, bu da altından 200 kat daha düşüktür, bu da kilogram başına yaklaşık 60.000 ABD Doları'dır.
Dmitri Mendeleev, 1871'de galyumun varlığını öngördü. 1875'te Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) Paris'te galyumu keşfetti ve ona yerli Fransız Latincesi Gallia (Gaul) adını verdi. Saf galyum nitrürün erime noktası sadece 30 santigrat derecedir (86 derece Fahrenheit), bu nedenle normal vücut sıcaklığında insan elinde erir.
Aradan 65 yıl sonra GaN ilk kez yapay olarak sentezlendi. 1960'lara kadar galyum nitrür tek kristal ince filmler üretme teknolojisi ortaya çıkmadı. Bileşik olarak galyum nitrür, silikondan 200°C daha yüksek olan 1600°C'nin üzerinde bir erime noktasına sahiptir.
1972'de, galyum nitrür malzemesine dayalı LED ışık yayan diyotlar icat edildi (magnezyum katkılı galyum nitrür kullanılarak). Bu bir dönüm noktası tarihi olaydır. Orijinal GaN LED'leri ticari kullanım için yeterince parlak olmasa da, insanlar ilk kez mavi-mor ışık yayan LED'ler üretti. 1991 yılında, daha yüksek parlaklıkta mavi LED üretme yöntemi patentlendi ve iki yıl sonra, yüksek parlaklıkta mavi LED'ler doğdu.
Yüksek parlaklığa sahip mavi LED'lerin ticari kullanımı, elektronik endüstrisinde bir dönüm noktasıdır. İnsanlar, fosfor kaplamaları ekleyerek, düşük verimli akkor lambaların yerini alabilecek beyaz LED'ler yaratmanın mümkün olduğunu fark ettiler. LED tabanlı bir ekran oluşturmak için kırmızı ve yeşil LED'ler ekleyin. İlk LED arkadan aydınlatmalı LCD TV'den en son OLED ekrana kadar, bu, katot ışın tüplü (CRT) TV ve ekran pazarının değiştirilmesini ve silikon bazlı "saptırma transistörlü" ekran ürünlerinin sonunu hızlandırdı.
Bu nedenle GaN, TV'lerde, cep telefonlarında, tabletlerde, dizüstü bilgisayarlarda ve monitörlerde kullandığımız yüksek çözünürlüklü renkli ekranların arkasındaki temel teknolojidir. Fotonik açısından, galyum nitrür mavi lazer teknolojisinde de kullanılır (özellikle Blu-ray oynatıcılarda kullanılan optik disk lazer kafası).
Fotoniğe ek olarak, galyum nitrür transistörleri ilgili teknolojileri 1993 yılında piyasaya sürmüş olsa da, ilk galyum nitrür yüksek elektron hareketli transistörün (HEMT) ticari olarak piyasaya sürülmesi 2004 yılına kadar değildi. Bu transistörler, yüksek performans ve yüksek voltaj gerektiren radyo frekansı altyapısında yaygın olarak kullanılmaktadır. Birkaç yıl sonra, 2008'de, GaN metal oksit yarı iletken alan etkili kristaller (MOSFET'ler) (silikon substratlar üzerinde oluşturulmuş) tanıtıldı, ancak karmaşık devreler ve yüksek frekanslı ekosistem bileşenlerinin eksikliği nedeniyle kullanım oranı düşüktü.
2014 yılında kurulan Nanomicro Semiconductor'ın misyonu, GaN güç yongalarının geniş bant aralıklı cihazlarının avantajlarından geniş bir uygulama yelpazesinde tam anlamıyla faydalanmak, geniş bant aralıklı teknoloji uygulamalarının geniş olanaklarını sunmak ve güç alanında bir hız devrimi gerçekleştirmektir. elektronik. 2018'de Nanomicro Semiconductor, EETIMes'in ünlü "Silicon 60" başlangıç ​​şirket listesine seçildi. 2019'da Frost ve Sullivan Frost ve Sullivan, Nanomicro Semiconductors'ın benzersiz vizyonunu, sistem çözümlerini ve çekirdek teknolojilerini tanıdı. Nanomicro'nun ortaya çıkması bekleniyor. ve GaN'ye dayalı yeni nesil güç sistemlerini getirin. Aynı yıl, Nanomicro Semiconductor, Shanghai Zhangjiang 895 ve Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance tarafından "İnovasyon Yıldızı" unvanına layık görüldü.Daha sonra, 2020'de Nanomicro Semiconductor ayrıca "Yarı İletken Tasarım İnovasyon Mükemmellik Ödülü" ve "Yarı İletken Tasarımı" kazandı. 2020'de Çin İletişim Endüstrisi Birliği'nden (CCIA) İnovasyon Mükemmellik Ödülü". "Aspencore Yılın En İyi Yenilikçi Şirketi" ödülü.
3
Ayrıca 2020'de Nanomicro Semiconductor, GaN cihazları ve uygulamaları için 100'den fazla patent duyurdu.
Nanomicro Semiconductors, GaNFast serisi güç yongası ürünlerini geliştirmeye devam ediyor. Çoğu geleneksel silikon aygıtın veya erken ayrık GaN aygıtlarının aksine, Nanomicro Semiconductors'ın bu aygıtları, hız sınırlayıcı ve zararlı ayrık sürücü ve koruma devrelerini ortadan kaldıran ve baskılı devre kartı (PCB) alanını azaltan çok küçük bir yüzeye montaj paketi QFN kullanır.
1 Nisan 2021 itibariyle Nanomicro Semiconductors, 18,2 milyon sıfır hatalı galyum nitrür güç yongasının sevkiyatını ve nakliyesini tamamladı.
En son GaN güç çipi sevkiyatını ve kalite bilgilerini kontrol etmeniz gerekiyorsa, lütfen ürün kalitesi sayfamızı ziyaret edin.
GaN Uygulamaları
Uzun süredir, LED'lerin ve radyo frekansı bileşenlerinin üretiminde galyum nitrür kullanılmıştır, ancak şimdi, güç değiştirme ve dönüştürme uygulamaları için sürekli büyüyen pazarda, galyum nitrür giderek ana tercih haline geldi. Galyum nitrür bazlı güç yongası da yüksek performans, küçük alan işgali ve yüksek sıcaklık direnci gereksinimlerini karşılayabilir.
Cep telefonlarında ve dizüstü bilgisayarlarda, mobil ağ ve WiFi sinyallerini göndermek ve almak için GaN tabanlı radyo frekansı cihazlarını kullanabilirsiniz. Bu cihazları şarj eden şarj cihazları giderek daha fazla galyum nitrür güç yongaları kullanıyor. Şu anda, güç GaN için en büyük pazar, mobil cihazlar için hızlı şarj pazarıdır. Galyum nitrür güç çipi, şarj cihazının şarj hızını geleneksel silikon şarj cihazından üç kat daha hızlı hale getirebilir, ancak boyut ve ağırlık ikincisinin yalnızca yarısıdır. Daha da önemlisi, GaN kullanan tek portlu şarj cihazları, eski en iyi eski silikon şarj cihazlarının sadece yarısı kadar ve çok portlu GaN şarj cihazları, eski eski silikon şarj cihazlarından daha pahalıdır.Cihaz üç kattan daha düşüktür.
4
Galyum nitrür güç yongaları, veri merkezi sunucularına da yerleştirilebilir. Veri merkezi trafiğinin artmasıyla birlikte silikonun enerji iletme yeteneği "fiziksel özellikler" sınırına ulaşmıştır. Sonunda, geleneksel silikon çipler, güç çipleri alanında yüksek hızlı galyum nitrür güç çipleri ile değiştirilecektir.
Veri merkezi donanımının entegrasyonu, yeni HVDC yüksek voltajlı DC mimarisi yöntemi ve seri üretilen, yüksek düzeyde entegre galyum nitrür güç yongası, şarj verimliliğini büyük ölçüde iyileştirdi. Silikon cihazları kullanan küresel veri merkezlerinin galyum nitrür cihazlara yükseltilmesi durumunda, küresel veri merkezlerinin enerji israfını %30-40 oranında azaltacağı ve bu da 100 MWh güneş enerjisi ve 125 milyon ton Karbondioksit emisyonu tasarrufuna eşdeğer olduğu tahmin edilmektedir. . Bu nedenle, galyum nitrür kullanımı, veri merkezi endüstrisinde "Net-Zero" hedefine doğru bir başka sağlam adımı temsil ediyor.
5
Otomotiv endüstrisinde GaN, yeni enerji araçları alanında güç dönüşümü ve pil şarjı için tercih edilen teknoloji haline geliyor. GaN tabanlı güç ürünleri, güneş enerjisi üretim cihazlarında kullanılan invertörlerin yanı sıra motor sürücülerinde ve diğer endüstriyel güç dönüştürme çözümlerinde de giderek daha fazla ortaya çıkıyor.
Galyum nitrür neden silikondan daha iyidir?
Galyum nitrür (GaN) bir "geniş bant aralığı" (WBG) malzemesidir. Bant aralığı, elektronların nükleer yörüngeden kaçması için gereken enerjiyi ifade eder.Galyum nitrürün bant aralığı, silisyumun üç katından daha fazla olan 3.4ev'dir, bu nedenle galyum nitrür geniş bir bant aralığına (WBG) sahiptir.
Silisyumun bant aralığı 1.1 eV'dir ve galyum nitrürün bant aralığı 3.4 eV'dir. Geniş bant aralıklı malzemenin yüksek elektrik alan kuvvetine sahip olması ve tükenme bölgesinin dar ve kısa olması nedeniyle, çok yüksek taşıyıcı konsantrasyonuna sahip bir cihaz yapısı geliştirilebilir. Örneğin, tipik bir 650V yanal galyum nitrür transistörü, 800V'u aşan bir voltajı destekleyebilir ve drenaj sürüklenme bölgesi 10-20μm veya yaklaşık 40-80V/μm'dir. Bu, silikon için teorik 20V/μm sınırından çok daha yüksektir. Bununla birlikte, GaN cihazları hala yaklaşık 300V/µm'lik bant aralığı sınırının çok altındadır ve bu da gelecekteki optimizasyon ve iyileştirme için çok büyük bir alan bırakmaktadır.
Cihaz düzeyinde, fiili duruma göre, normalize edilmiş on-direnç (RDS (ON)) ve geçit yükü (QG) çarpımı ile elde edilen değer rakamı, silikondan 5 ila 20 kat daha iyidir. GaN şarj cihazları, daha küçük transistörler ve daha kısa akım yolları kullanarak, ultra düşük direnç ve kapasitans elde edebilecek ve anahtarlama hızı yüz kat artırılabilecek.
GaN güç yongalarının yeteneklerinden tam olarak yararlanmak için devrenin diğer bölümlerinin de daha yüksek frekanslarda verimli bir şekilde çalışması gerekir. Son yıllarda kontrol çipini ekledikten sonra, GaN şarj cihazının anahtarlama frekansı 65-100kHz'den 1MHz'in üzerine çıkarıldı. Yeni kontrolör geliştirilme aşamasındadır. Mikrodenetleyiciler ve dijital sinyal işlemcileri (DSP) aynı zamanda mevcut yumuşak anahtarlamalı devre topolojilerini uygulamak için kullanılabilir ve halihazırda yaygın olarak kullanılan 1-2 MHz aralığı için optimize edilmiş manyetik malzemeler zaten kullanılabilir.
Galyum nitrür güç yongaları, yarım köprü topolojisinde frekans, yoğunluk ve verimliliğin avantajlarını birleştirir. Aktif kelepçe geri dönüşü, totem direği PFC ve LLC gibi. Sert anahtarlama topolojisinden yumuşak anahtarlama topolojisine geçişle, birincil FET'in genel kayıp denklemi en aza indirilebilir, böylece frekansı 10 kat daha yükseğe çıkarabilir.
GaN güç çiplerinin benzeri görülmemiş performansı, ikinci güç elektroniği devrimi için bir katalizör olacak.
6
için
Galyum nitrür ve silisyum karbürün karşılaştırılması
Galyum nitrür (GaN) ve silisyum karbür (SiC), silisyumdan (Si) daha iyi fiziksel özelliklere sahip geniş bant aralıklı (WBG) malzemelerdir. Üç malzemenin bant boşlukları şunlardır: Si 1.1eV; SiC 3.2eV; GaN 3.4eV, bu nedenle galyum nitrür ve silisyum karbür, silikondan çok daha yüksek voltajları idare eder. Galyum nitrür ve silisyum karbürün kırılma gerilimi (MV/cm cinsinden) silisyumunkinden 10 kat daha yüksektir.
Galyum nitrür ve silisyum karbür arasındaki temel fark, "hız" veya "elektron hareketliliği" dir. 2.000 /Vs'de, galyum nitrürün elektron hareketliliği silikondan %30 ve silisyum karbürden %300 daha hızlıdır, bu da galyum nitrürün yüksek frekans kazananı olduğu anlamına gelir. Galyum nitrür güç anahtarlarına "Yüksek Elektron Hareketli Transistörler" (HEMT) denir.
7
GaN'nin geniş bant aralığı özellikleri, 100V ila 600V arasındaki voltajlarla güç yongası uygulamalarında üretim maliyetlerini ve karbon emisyonlarını etkili bir şekilde azaltabilir. Silisyum karbür daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir ve çok fazla ısı dağılımı gerektiren daha yüksek güç senaryoları için uygundur. İkisi arasındaki diğer temel fark akımdır; silisyum karbür, yüksek güçlü uygulamalar için daha uygun olan bir "dikey yapı" özelliklerine sahiptir; nano-mikro yarı iletkenin galyum nitrür ise bir "yanal yapıya" sahiptir. monolitik entegrasyon mümkündür. Yatay yapıya sahip galyum nitrür çipi, güç FET, sürücü, mantık, koruma, sensör ve denetleyiciyi entegre eder.
GaN güç çipleri, hızlı şarjlı şarj cihazlarının tasarımını nasıl iyileştirebilir?
GaN'nin geniş bant aralığı özellikleri, 100V ila 600V arasındaki voltajlarla güç yongası uygulamalarında üretim maliyetlerini ve karbon emisyonlarını etkili bir şekilde azaltabilir. Silisyum karbür daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir ve çok fazla ısı dağılımı gerektiren daha yüksek güç senaryoları için uygundur. İkisi arasındaki diğer temel fark akımdır; silisyum karbür, yüksek güçlü uygulamalar için daha uygun olan bir "dikey yapı" özelliklerine sahiptir; nano-mikro yarı iletkenin galyum nitrür ise bir "yanal yapıya" sahiptir. monolitik entegrasyon mümkündür. Yatay yapıya sahip galyum nitrür çipi, güç FET, sürücü, mantık, koruma, sensör ve denetleyiciyi entegre eder.
8
Galyum nitrür şarj cihazlarının ve adaptörlerin bir listesi için lütfen GaNFast web sitesini ziyaret edin, güce, markaya veya boyuta göre arama yapın ve galyum nitrür hızlı şarj cihazlarını satın almak için incelemeleri ve bağlantıları görüntüleyin.
GaN güç çipi nedir?
GaNFast™ GaN güç çipi, SMT paketleme yoluyla GaN cihazı, sürücü, kontrol ve korumanın entegrasyonunu gerçekleştirir. Bu GaNFast™ güç yongaları, kullanımı kolay bir "dijital giriş, güç çıkışı" (dijital giriş, güç çıkışı) modülüdür. Kapı sürücüsünün empedansı temelde sıfır olduğundan, entegrasyondan sonra kapatma sırasında sıfır kayıp elde edilebilir. Ek olarak, açma performansı özel uygulama gereksinimlerine göre özelleştirilebilir ve kontrol edilebilir.
9