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第三代半导体材料氮化镓(GaN)或引发充电革命?

作者:陈玲丽时间:2020-03-23来源:电子产品世界收藏

半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年,随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。除了进一步发展在摩尔定律下的制造工艺外,寻找硅(Si)以外新一代的,也就成了一个重要方向。在这个过程中,(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人们的视野。

本文引用地址:http://www.dzszp.com/article/202003/411238.htm

GaN是一种新型的,中文名为,英文名称是 Gallium nitride。它是氮和镓的化合物,是一种直接能隙(Direct Bandgap)的半导体,也是一种宽禁带。与碳化硅(SiC)一起被成为“第三代半导体材料”,而第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景,成为全球半导体市场争夺的焦点。

为什么GaN技术得到了发展?

与GaN相比,实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早,而之所以GaN近年来更为抢眼,主要的原因有两点:第一,GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力,目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底;第二,由于GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成。

(GaN)具有更高的击穿电压(使用GaN时大于200V),能够承受高的输入/输出错配(通常>15:1VSWR),具有更高的结温,平均无故障时间为一百万个小时。此外,它还具有热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。

相较于传统的硅基半导体,GaN能够提供显著的优势来支持功率应用,这些优势包括在更高功率获取更大的节能效益,以致寄生功耗大幅降低;GaN材料也容许更多精简元件的设计以支持更小的尺寸外观。这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。


图片来源:ON Semiconductor

根据Gartner绘制的GaN技术成熟度曲线,GaN目前处于技术成熟度曲线的第二个攀升阶段,也就是说它的热潮时间段已经过去,走出了泡沫化的低谷期,已经进入了稳步爬升的光明期,现在正是GaN产品和技术发展的良机。
GaN首先从上世纪90年代开始在LED领域大放异彩,自20世纪初以来,GaN功率器件已经逐步商业化。2010年,第一个GaN功率器件由IR投入市场,自商用功率GaN器件首次发布以来,越来越多的企业进入该产业链。
GaN功率器件的优势
在功率器件中,相对于Si器件,GaN功率器件的性能具有明显优势。首先,其转换效率很高,GaN的禁带宽度是硅的三倍,临界击穿电场是硅的十倍,因此同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右,大大降低了开关的导通损耗。
另外,GaN功率器件工作频率很高,比硅器件高20倍左右。由于GaN可以工作在高频段,因此可以使得整个电路的开关工作频率从原来的50~60kHz,提高到200~500kHz及以上。工作频率高了后,就可以大幅缩小变压器等器件的体积,从而提高了产品的功率密度,让产品的体积可以做得更小,效率做得更高。同时,因为效率提高了,散热也更好处理,有些产品甚至都不需要加散热片了。
这些给GaN功率器件的发展创造了条件。相比硅在高于1200V的高电压、大功率具有优势,GaN制的产品更适合40~1200V的应用,特别是在600V/3KW能发挥最大优势,600/650V等级的GaN晶体管现在已经广泛使用。因此,在伺服器、马达驱动、UPS等领域,GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT的地位。


2016年氮化镓(GaN)功率元件产业规模约为1200万美元,研究机构Yole Développemen研究显示预计到2022年该市场将成长到4.6亿美元,年复合成长率高达79%。

拥有GaN功率器件或辅助元器件业务的公司几乎都享受着销售业绩每月增长的“甜蜜”,包括GaN Systems、Navitas Semiconductor、Texas Instruments(德州仪器)、Panasonic(松下)和On Semiconductor(安森美)等公司。

虽然GaN有着许多优势,但因为产品价格偏高,这是现在消费性电子产品未大量采用的主因。反而在卫星、军事这类对价格敏感度低的产业,GaN零组件对其有极大的吸引力。若未来成本能再大幅下降,市场需求就会爆发。
GaN在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的技术优势。在600伏特左右电压下,其在芯片面积、电路效率和开关频率方面明显优于硅,这使电源产品更为轻薄、高效。并且,GaN器体积小、功率高、支持PD协议,有望在未来统一笔电和手机的器市场,市场前景广阔。Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元,年复合成长率达85%,当中,GaN快充是推动产业高成长的主要力量。
GaN或引发革命
随着GaN技术获得突破,成本得到控制,除了射频微波领域,它还被广泛应用到了消费类电子等领域,其中快速充电器便是一例。采用了GaN功率器件的充电器最直观的感受就是体积小、重量轻,在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势,大大的提升了用户的使用体验。
2018年10月,ANKER发布了全球首款USB PD GaN充电器PowerPort Atom PD1,和苹果5W充电器差不多的体积却能输出高达27W的功率,吸足眼球。随后,除了专门生产充电头的厂商,不少消费电子厂商也盯上了GaN充电技术。去年10月发布的OPPO Reno Ace中,就标配了一个GaN充电器,可以实现65W的超级闪充,成为全球首款标配GaN充电器的手机。
上个月,在小米新品发布会上,小米也推出了一款体积小巧的充电器,采用了来自Navitas的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC,体积为56.3x30.8x30.8mm,官方表示是标准适配器尺寸的一半,也就是小米GaN充电器Type-C 65W —— 再次让GaN材料在充电器上的应用引发了消费电子行业的关注。


就整个消费电子行业的情况来看,GaN已经在全球主流的消费电子厂商中得到了关注和投入,GaN也正在伴随充电器快速爆发。今年一月,在美国举办的CES展会上,参展的GaN充电器已经多达66款,其中涵盖了18W、30W、65W、100W等多个功率以及全新品类超级扩展坞,满足手机、平板、笔电的全方位充电需求。综合性能和成本两个方面,GaN也有望在未来成为消费电子领域快充器件的主流选择。
随着用户对充电器通用性、便携性的需求提高,未来GaN快充市场规模将快速上升,预计2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元,2025年将快速上升至638亿元,5年复合年均增长率高达94%。
值得一提的是,在这样的市场趋势下,一些重要的半导体行业也大举切入到GaN市场。GaN不仅仅只在充电器领域,凭借GaN的功率性能、频率性能以及优秀散热性能,它还可用于5G基站、自动驾驶、军用雷达等众多功率和频率有较高要求的场。
GaN的应用不仅仅止于充电领域
但在手机领域,GaN之所以越来越出名,绝不仅仅是因为快充,而是5G时代的到来。5G将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,因此基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也在不断提高。不仅如此,5G所需要的多重载波聚合以及基站的功率放大器,GaN都可以占据一席之地,通吃5G的上下游产业链。
在此背景下,GaN的优势将逐步凸显,使得GaN成为5G的关键技术。随着今年5G手机的大规模推出和各国5G基站的铺设,和现有的硅、砷化镓的解决方案比起来,GaN则能提供更好的功率以及能耗比,也更能适用于5G时代的需求。
· 在5G的关键技术Massive MIMO应用中,基站收发信机上使用大数量(如32/64等)的阵列天线实现更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套。因此射频器件的数量将大为增加,器件的尺寸大小很关键,利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。
· 除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比3G、4G时代,5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加,因此成本的控制非常关键,而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势,随着硅基氮化镓技术的成熟,它能以最大的性价比优势取得市场的突破。
同时在5G毫米波应用上,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸,实现性能成本的最优化组合。

图片来源:Qorvo

让人感到兴奋并可瞥见未来的自动驾驶,也是GaN的应用领域。如果您仔细看,您会看到在车顶上安装了用作车辆的“眼睛”的激光雷达(LiDAR)系统。LiDAR器件快速发射出控制光束,以及纪录光束从一个物体上反射回来到传感器的时间,并且可以确定这个物体的方向,从而制成在车辆四周的三维360度全景。激光光束的发射速度越快,LiDAR系统识别物体的能力或场景的分辨率将会更高。
GaN技术在LiDAR系统中发挥非常重要的作用,相较MOSFET器件而言,开关速度快十倍,使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势,由于可实现优越的开关转换,因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。
GaN在国防工业中的应用前景也很广阔,美国的大型国防合约商雷神公司宣布将开始在新生产的Guidance Enhanced Missile-TBM(GEM-T)拦截器中使用GaN计算机芯片,以取代目前在导弹发射器中使用的行波管(TWT),希望通过使用GaN芯片升级GEM-T的发射器,提高拦截器的可靠性和效率。此外,在新生产导弹中过渡到GaN意味着发射器不需要在拦截器的使用寿命期间更换。
雷神公司的GEM-T导弹是美国陆军爱国者空中和导弹防御系统的支柱,于对付飞机和战术弹道导弹和巡航导弹。发射器将导弹与地面系统连接起来,使其能够在飞行过程中控制武器,GEM-T中的GaN发射器使用固态而不是传统的行波管设计。
新发射器具有与旧发射器相同的外形和功能,不需要额外的冷却,并且可以在通电几秒钟内运行。这意味着采用新型GaN发射器的GEM-T将能够继续在最苛刻的条件下运行。这种发射器技术也可能会在其他导弹上看到其他测试。美国陆军表示有兴趣用这些类型的发射器取代整个库存,在GEM-T计划中采用这些发射器能够将修复成本降低36%。
最后我们来看看,现在什么是氮化镓(GaN)器件发展道路上的“拦路虎”呢?影响最大的就是:价格。回顾前两代半导体的演进发展过程,任何一代半导体技术从实验室走向市场,都面临商用化的挑战。目前GaN也处于这一阶段,成本将会随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程革新等,而走向平民化,而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。随着第三代半导体的普及临近,也让我们有幸见证这一刻的到来。


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