Hiểu GaN trong một bài viết: Giới thiệu toàn diện nhất về Nanomicro, giúp bạn làm quen nhanh chóng về chất bán dẫn thế hệ thứ ba
Gali nitride (GaN) là gì?

Gali nitrua là một hợp chất kết hợp giữa gali (số nguyên tử 31) và nitơ (số nguyên tử 7). Nó là một vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng với cấu trúc tinh thể hình lục giác ổn định. Độ rộng vùng cấm là năng lượng cần thiết để các electron thoát ra khỏi quỹ đạo hạt nhân. Độ rộng vùng cấm của gali nitrua là 3,4 eV, gấp ba lần so với silic, vì vậy gali nitrua có độ rộng vùng cấm rộng (WBG).
Độ rộng dải cấm xác định điện trường mà vật liệu có thể chịu được. Gali nitride có độ rộng vùng cấm lớn hơn so với vật liệu silicon truyền thống, do đó nó có vùng suy giảm rất hẹp, do đó có thể phát triển cấu trúc thiết bị có nồng độ hạt tải điện rất cao. Do ưu điểm của GaN với bóng bán dẫn nhỏ hơn, đường dẫn dòng điện ngắn hơn, điện trở và điện dung cực thấp, các thiết bị sạc của bộ sạc GaN hoạt động nhanh hơn 100 lần so với các thiết bị silicon truyền thống.
Quan trọng hơn, so với silicon truyền thống, GaN có thể xử lý điện trường lớn hơn trong không gian thiết bị nhỏ hơn đồng thời cung cấp tốc độ chuyển mạch nhanh hơn. Ngoài ra, gali nitride có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với các thiết bị bán dẫn dựa trên silicon.
1
Đến
Tại sao gali nitride (GaN) lại quan trọng?
Tầm quan trọng của gali nitride (GaN) ngày càng trở nên nổi bật và ngày càng tăng. Bởi vì so với công nghệ silicon truyền thống, nó không chỉ có hiệu suất tuyệt vời và nhiều ứng dụng mà còn có thể giảm thiểu tổn thất năng lượng và chiếm không gian một cách hiệu quả. Trong một số nghiên cứu và phát triển và ứng dụng, các thiết bị silicon truyền thống đã đạt đến giới hạn vật lý về khả năng chuyển đổi năng lượng. Gali nitride với giới hạn trên cao hơn có thể thống nhất một cách hữu cơ các lợi thế về hiệu quả sạc, tốc độ chuyển mạch, kích thước sản phẩm và khả năng chịu nhiệt, và đương nhiên là phổ biến hơn.
Với sự gia tăng không ngừng của nhu cầu năng lượng toàn cầu, việc sử dụng công nghệ gali nitride không chỉ có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng mà còn giảm lượng khí thải carbon một cách hiệu quả. Trên thực tế, thiết kế và tích hợp của GaN đã được chứng minh là hoạt động như một chất bán dẫn công suất thế hệ tiếp theo và lượng khí thải carbon của nó thấp hơn 10 lần so với các thiết bị dựa trên silicon truyền thống. Người ta ước tính rằng nếu các trung tâm dữ liệu toàn cầu sử dụng thiết bị chip silicon được nâng cấp để sử dụng thiết bị chip điện gallium nitride, thì các trung tâm dữ liệu toàn cầu sẽ giảm được 30 - 40% lãng phí năng lượng, tương đương với việc tiết kiệm 100 MWh năng lượng mặt trời và 1,25 Tỷ tấn khí thải carbon dioxide.
2
Sự hấp dẫn của GaN không chỉ là sự cải thiện về hiệu suất và hiệu quả năng lượng ở cấp độ hệ thống. Khi chúng tôi phát hiện ra rằng việc sản xuất một chip điện gallium nitride, nó có thể giảm 80% lượng tiêu thụ hóa chất và năng lượng trong quá trình sản xuất. Ngoài ra, nó có thể tiết kiệm hơn 50% vật liệu đóng gói. Những lợi thế về môi trường của gallium nitride sẽ lớn hơn nhiều so với vật liệu silicon chậm truyền thống.
Gali Nitride: Lịch sử và Tương lai
Gali không tồn tại như một nguyên tố trong tự nhiên. Nó thường là sản phẩm phụ được tạo ra trong quá trình chế biến bô xít thành nhôm, hoặc quá trình tinh luyện sphalerit thành kẽm. Do đó, lượng khí thải carbon của quá trình khai thác và tinh chế gali là rất thấp.
Sản lượng hàng năm của gali vượt quá 300 tấn, và khả năng lưu trữ của thế giới dự kiến ​​sẽ vượt quá 1 triệu tấn. Vì gali là sản phẩm phụ của quá trình chế biến nên giá thành tương đối thấp, khoảng 300 USD / kg, thấp hơn 200 lần so với vàng, khoảng 60.000 USD / kg.
Dmitri Mendeleev đã tiên đoán về sự tồn tại của gali vào năm 1871. Năm 1875, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) đã phát hiện ra gali ở Paris, và đặt tên nó theo tiếng Latinh bản địa của ông, Gallia (Gaul). Nhiệt độ nóng chảy của gali nitride tinh khiết chỉ là 30 độ C (86 độ F), vì vậy ở nhiệt độ cơ thể bình thường, nó sẽ tan chảy trong bàn tay con người.
Sau 65 năm nữa, lần đầu tiên GaN được tổng hợp nhân tạo. Mãi đến những năm 1960, công nghệ sản xuất màng mỏng đơn tinh thể gali nitride mới xuất hiện. Là một hợp chất, gali nitride có nhiệt độ nóng chảy trên 1600 ° C, cao hơn silicon 200 ° C.
Năm 1972, điốt phát quang LED dựa trên vật liệu gali nitrua đã được phát minh (sử dụng gali nitrua pha tạp với magiê). Đây là một sự kiện lịch sử mang tính bước ngoặt. Mặc dù đèn LED GaN ban đầu không đủ sáng để sử dụng cho mục đích thương mại, nhưng đây là lần đầu tiên con người sản xuất đèn LED phát ra ánh sáng xanh tím. Năm 1991, một phương pháp sản xuất đèn LED xanh dương có độ sáng cao hơn đã được cấp bằng sáng chế, và hai năm sau, đèn LED xanh có độ sáng cao ra đời.
Việc sử dụng thương mại đèn LED xanh có độ sáng cao là một bước ngoặt trong ngành công nghiệp điện tử. Bằng cách thêm lớp phủ phosphor, con người đã nhận ra rằng có thể tạo ra đèn LED trắng có thể thay thế đèn sợi đốt hiệu suất thấp. Thêm đèn LED màu đỏ và xanh lá cây để tạo thành màn hình dựa trên đèn LED. Từ TV LCD có đèn nền LED đầu tiên đến màn hình OLED mới nhất, điều này đã thúc đẩy sự thay thế của thị trường TV và màn hình ống tia âm cực (CRT), đồng thời là sự sụp đổ của các sản phẩm màn hình "bóng bán dẫn lệch" dựa trên silicon.
Do đó, GaN là công nghệ cốt lõi đằng sau màn hình màu có độ phân giải cao mà chúng tôi sử dụng trong TV, điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay và màn hình. Về quang tử, gallium nitride cũng được sử dụng trong công nghệ laser xanh (đáng chú ý nhất là đầu laser đĩa quang được sử dụng trong đầu đĩa Blu-ray).
Ngoài quang tử, mặc dù bóng bán dẫn gallium nitride đã phát hành các công nghệ liên quan vào năm 1993, nhưng phải đến khoảng năm 2004, bóng bán dẫn di động điện tử cao gallium nitride (HEMT) đầu tiên mới bắt đầu được bán trên thị trường. Các bóng bán dẫn này thường được sử dụng trong cơ sở hạ tầng tần số vô tuyến đòi hỏi hiệu suất cao và điện áp cao. Một vài năm sau, vào năm 2008, tinh thể hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại GaN (MOSFETs) (hình thành trên nền silicon) được thúc đẩy, nhưng do mạch phức tạp và thiếu các thành phần hệ sinh thái tần số cao, tỷ lệ sử dụng thấp.
Được thành lập vào năm 2014, sứ mệnh của Nanomicro Semiconductor là phát huy hết lợi thế của các thiết bị băng thông rộng của chip nguồn GaN trong một loạt các ứng dụng, cung cấp khả năng ứng dụng công nghệ băng tần rộng và thực hiện một cuộc cách mạng tốc độ trong lĩnh vực điện năng thiết bị điện tử. Năm 2018, Nanomicro Semiconductor đã được chọn vào danh sách công ty khởi nghiệp nổi tiếng "Silicon 60" của EETIMes. Năm 2019, Frost và Sullivan Frost và Sullivan đã công nhận tầm nhìn độc đáo, các giải pháp hệ thống và công nghệ cốt lõi của Nanomicro Semiconductors. Người ta tin rằng Nanomicro dự kiến ​​sẽ sinh ra và mang lại các hệ thống điện thế hệ tiếp theo dựa trên GaN. Cùng năm đó, Nanomicro Semiconductor được Thượng Hải Zhangjiang 895 và Liên minh Tiên phong ICV của Thành phố Khoa học Zhangjiang trao tặng danh hiệu "Ngôi sao đổi mới". Sau đó, vào năm 2020, Nanomicro Semiconductor cũng giành được "Giải thưởng xuất sắc về đổi mới thiết kế bán dẫn" và "Thiết kế bán dẫn Giải thưởng Sáng tạo Xuất sắc "của Hiệp hội Công nghiệp Truyền thông Trung Quốc (CCIA) vào năm 2020. Giải thưởng" Công ty Sáng tạo Xuất sắc của Năm của Aspencore ".
3
Cũng trong năm 2020, Nanomicro Semiconductor đã công bố hơn 100 bằng sáng chế cho các thiết bị và ứng dụng GaN.
Nanomicro Semiconductors tiếp tục tiếp tục phát triển dòng sản phẩm chip nguồn GaNFast. Không giống như hầu hết các thiết bị silicon truyền thống hoặc các thiết bị GaN rời rạc thời kỳ đầu, các thiết bị này của Nanomicro Semiconductors sử dụng gói gắn kết bề mặt rất nhỏ QFN, giúp loại bỏ các mạch bảo vệ và ổ đĩa rời rạc hạn chế và bất lợi, đồng thời giảm diện tích bảng mạch in (PCB).
Tính đến ngày 1 tháng 4 năm 2021, Nanomicro Semiconductors đã hoàn thành việc vận chuyển và vận chuyển 18,2 triệu chip nguồn gallium nitride không lỗi.
Nếu bạn cần kiểm tra thông tin về lô hàng và chất lượng chip nguồn GaN mới nhất, vui lòng truy cập trang chất lượng sản phẩm của chúng tôi.
Các ứng dụng của GaN
Từ lâu, gallium nitride đã được sử dụng trong sản xuất đèn LED và các thành phần tần số vô tuyến, nhưng hiện nay, trong thị trường ngày càng phát triển cho các ứng dụng chuyển đổi và chuyển đổi nguồn điện, gallium nitride ngày càng trở thành sự lựa chọn chủ đạo. Và chip nguồn dựa trên gallium nitride cũng có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất cao, chiếm không gian nhỏ và khả năng chịu nhiệt độ cao.
Trong điện thoại di động và máy tính xách tay, bạn có thể sử dụng các thiết bị tần số vô tuyến dựa trên GaN để gửi và nhận tín hiệu mạng di động và WiFi. Các bộ sạc để sạc các thiết bị này ngày càng sử dụng chip nguồn gallium nitride. Hiện tại, thị trường lớn nhất cho năng lượng GaN là thị trường sạc nhanh cho thiết bị di động. Chip nguồn gallium nitride có thể giúp tốc độ sạc của bộ sạc nhanh gấp 3 lần so với bộ sạc silicon truyền thống nhưng kích thước và trọng lượng chỉ bằng một nửa so với loại sau. Quan trọng hơn, các sản phẩm sạc một cổng sử dụng GaN có giá chỉ bằng một nửa so với các loại sạc silicon cũ tốt nhất cũ, còn các sản phẩm sạc GaN nhiều cổng thì có giá cao hơn so với các thiết bị sạc silicon cũ hơn ba lần.
4
Các chip nguồn gallium nitride cũng có thể được triển khai trong các máy chủ của trung tâm dữ liệu. Với sự gia tăng lưu lượng truy cập vào trung tâm dữ liệu, khả năng truyền năng lượng của silicon đã đạt đến giới hạn về "đặc tính vật lý". Cuối cùng, chip silicon truyền thống sẽ được thay thế bằng chip nguồn gallium nitride tốc độ cao trong lĩnh vực chip nguồn.
Việc tích hợp phần cứng trung tâm dữ liệu, phương pháp kiến ​​trúc DC điện áp cao HVDC mới và chip nguồn gallium nitride được sản xuất hàng loạt, tích hợp cao đã cải thiện đáng kể hiệu quả sạc. Người ta ước tính rằng nếu các trung tâm dữ liệu toàn cầu sử dụng thiết bị silicon được nâng cấp thành thiết bị gali nitride, các trung tâm dữ liệu toàn cầu sẽ giảm được 30 - 40% chất thải năng lượng, tương đương với việc tiết kiệm 100 MWh năng lượng mặt trời và 125 triệu tấn khí thải carbon dioxide. . Do đó, việc sử dụng gallium nitride thể hiện một bước tiến vững chắc khác hướng tới mục tiêu "Net-Zero" trong ngành công nghiệp trung tâm dữ liệu.
5
Trong ngành công nghiệp ô tô, GaN đang trở thành công nghệ được ưa chuộng để chuyển đổi điện năng và sạc pin trong lĩnh vực xe năng lượng mới. Các sản phẩm điện dựa trên GaN cũng ngày càng xuất hiện nhiều hơn trong các biến tần được sử dụng trong các thiết bị phát điện năng lượng mặt trời, cũng như trong bộ truyền động động cơ và các giải pháp chuyển đổi điện công nghiệp khác.
Tại sao gali nitride tốt hơn silicon?
Gali nitride (GaN) là vật liệu "độ rộng vùng cấm rộng" (WBG). Độ rộng vùng cấm đề cập đến năng lượng cần thiết để các electron thoát ra khỏi quỹ đạo hạt nhân. Độ rộng vùng cấm của gali nitrua là 3,4ev, lớn hơn 3 lần so với silic, vì vậy gali nitrua có độ rộng vùng cấm rộng (WBG).
Độ rộng vùng cấm của silic là 1,1 eV, và độ rộng vùng cấm của gali nitrua là 3,4 eV. Vì vật liệu có độ rộng vùng cấm rộng có cường độ điện trường cao và vùng suy giảm hẹp và ngắn, nên có thể phát triển một cấu trúc thiết bị có nồng độ hạt tải điện rất cao. Ví dụ, một bóng bán dẫn Gali nitride bên 650V điển hình có thể hỗ trợ điện áp vượt quá 800V và vùng trôi dạt của nó là 10-20μm, hoặc khoảng 40-80V / μm. Điều này cao hơn nhiều so với giới hạn lý thuyết là 20V / μm đối với silicon. Tuy nhiên, các thiết bị GaN vẫn còn thấp hơn rất nhiều so với giới hạn khoảng cách vùng cấm khoảng 300V / µm, điều này còn dư địa rất lớn cho việc tối ưu hóa và cải tiến trong tương lai.
Ở cấp độ thiết bị, theo tình hình thực tế, con số đáng giá thu được từ tích số của điện trở chuẩn hóa (RDS (ON)) và điện tích cổng (QG) tốt hơn từ 5 đến 20 lần so với silicon. Bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn nhỏ hơn và đường dẫn dòng điện ngắn hơn, bộ sạc GaN sẽ có thể đạt được điện trở và điện dung cực thấp, đồng thời tốc độ chuyển mạch có thể tăng lên hàng trăm lần.
Để tận dụng hết khả năng của chip nguồn GaN, các bộ phận khác của mạch cũng phải hoạt động hiệu quả ở tần số cao hơn. Sau khi bổ sung chip điều khiển trong những năm gần đây, tần số chuyển mạch của bộ sạc GaN đã được tăng từ 65-100kHz lên trên 1MHz. Bộ điều khiển mới đang được phát triển. Bộ vi điều khiển và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) cũng có thể được sử dụng để thực hiện cấu trúc liên kết mạch chuyển mạch mềm hiện nay và các vật liệu từ được sử dụng rộng rãi hiện nay được tối ưu hóa cho dải tần 1-2 MHz đã có thể được sử dụng.
Chip nguồn Gali nitride kết hợp các ưu điểm của tần số, mật độ và hiệu quả trong cấu trúc liên kết nửa cầu. Chẳng hạn như flyback kẹp tích cực, cực totem PFC và LLC. Với sự thay đổi từ cấu trúc liên kết chuyển mạch cứng sang cấu trúc liên kết chuyển mạch mềm, phương trình tổn thất chung của FET sơ cấp có thể được giảm thiểu, do đó tăng tần số lên cao hơn 10 lần.
Hiệu suất chưa từng có của chip nguồn GaN sẽ trở thành chất xúc tác cho cuộc cách mạng điện tử công suất lần thứ hai.
6
Đến
So sánh gallium nitride và silicon carbide
Gali nitrua (GaN) và silic cacbua (SiC) đều là vật liệu dải thông rộng (WBG), có tính chất vật lý tốt hơn silicon (Si). Khoảng trống vùng của ba vật liệu là: Si 1,1eV; SiC 3,2eV; GaN 3,4eV, vì vậy gali nitrua và cacbua silic xử lý điện áp cao hơn tốt hơn nhiều so với silicon. Điện áp đánh thủng (tính bằng MV / cm) của gali nitrua và silic cacbua cao gấp 10 lần so với silic.
Sự khác biệt cốt lõi giữa nitrit gali và cacbua silic là "tốc độ", hay "tính linh động của điện tử". Ở 2.000 / Vs, độ linh động của điện tử của gali nitrua nhanh hơn 30% so với silic và nhanh hơn 300% so với cacbua silic, điều đó có nghĩa là gali nitrua là chất thắng tần số cao. Công tắc nguồn Gali nitride được gọi là "Bóng bán dẫn di động điện tử cao" (HEMT).
7
Đặc tính băng thông rộng của GaN có thể làm giảm hiệu quả chi phí sản xuất và lượng khí thải carbon trong các ứng dụng chip công suất có điện áp từ 100V đến 600V. Cacbua silic có độ dẫn nhiệt cao hơn và phù hợp với các tình huống công suất cao hơn yêu cầu tản nhiệt nhiều. Sự khác biệt chính khác giữa hai loại này là dòng điện; silic cacbua có các đặc điểm của "cấu trúc thẳng đứng", phù hợp hơn cho các ứng dụng công suất cao; trong khi gali nitrua của chất bán dẫn vi mô nano có "cấu trúc bên", làm cho tích hợp nguyên khối có thể. Chip nitrua gali có cấu trúc nằm ngang tích hợp FET nguồn, trình điều khiển, logic, bảo vệ, cảm biến và bộ điều khiển.
Làm thế nào để chip nguồn GaN có thể cải thiện thiết kế của bộ sạc sạc nhanh?
Đặc tính băng thông rộng của GaN có thể làm giảm hiệu quả chi phí sản xuất và lượng khí thải carbon trong các ứng dụng chip công suất có điện áp từ 100V đến 600V. Cacbua silic có độ dẫn nhiệt cao hơn và phù hợp với các tình huống công suất cao hơn yêu cầu tản nhiệt nhiều. Sự khác biệt chính khác giữa hai loại này là dòng điện; silic cacbua có các đặc điểm của "cấu trúc thẳng đứng", phù hợp hơn cho các ứng dụng công suất cao; trong khi gali nitrua của chất bán dẫn vi mô nano có "cấu trúc bên", làm cho tích hợp nguyên khối có thể. Chip nitrua gali có cấu trúc nằm ngang tích hợp FET nguồn, trình điều khiển, logic, bảo vệ, cảm biến và bộ điều khiển.
số 8
Để biết danh sách các bộ sạc và bộ điều hợp gallium nitride, vui lòng truy cập trang web GaNFast, tìm kiếm theo công suất, thương hiệu hoặc kích thước, đồng thời xem các đánh giá và liên kết để mua bộ sạc nhanh gallium nitride.
Chip nguồn GaN là gì?
Thông qua đóng gói SMT, chip nguồn GaNFast ™ GaN nhận ra sự tích hợp của thiết bị GaN, ổ đĩa, điều khiển và bảo vệ. Các chip nguồn GaNFast ™ này là một mô-đun "kỹ thuật số trong, nguồn điện" (digital in, power out) dễ sử dụng. Vì trở kháng của trình điều khiển cổng về cơ bản bằng 0, nên có thể đạt được tổn thất bằng không trong quá trình tắt sau khi tích hợp. Ngoài ra, hiệu suất mở có thể được tùy chỉnh và kiểm soát theo các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
9