氮化鎵以“先天優勢”打開四大市場，現在成本有望再被打下來！

日本的信越化學工業和OKI公司近期宣布，他們已經開發出一種能夠以低成本制造使用氮化鎵（GaN）的功率半導體材料的技術。據稱，該技術的制造成本可以降低到傳統制法的十分之一以下，如果能夠實現量產，將對許多領域產生深遠影響。

氮化鎵是一種寬禁帶半導體材料，具有高熱穩定性、高電子遷移率和高擊穿場強等特點，因此被廣泛應用于快充充電器、電力電子、光電子和微波射頻等領域。然而，由于氮化鎵的生長條件苛刻，制造成本高昂，限制了其在許多應用中的普及。

這次日本的新技術突破了這一難題。通過在特有的基板上噴鎵系氣體，使晶體生長，然后將晶體放在其他基板上作為功率半導體的晶圓使用，大大降低了制造成本。這一突破將對全球半導體產業，特別是功率半導體市場產生重大影響。

該技術將推動氮化鎵功率半導體的普及。由于成本的大幅降低，更多的電子產品可以使用氮化鎵功率半導體，從而提高產品的性能和效率。這將使消費者享受到更快速、更高效、更便捷的電子產品，同時也將推動整個電子產業的發展。

該技術將增強日本在全球半導體市場的競爭力。日本一直以來都是半導體技術的領先者，而這次的技術突破將進一步鞏固其地位。如果能夠實現大規模生產，日本的氮化鎵半導體產品將具有更強的市場競爭力，從而獲得更高的市場份額。

該技術還將推動全球半導體產業的技術進步。隨著氮化鎵功率半導體的普及，更多的科研機構和企業將會投入研究和開發，推動氮化鎵半導體技術的進步和發展。這將為全球半導體產業注入新的活力，推動整個產業的發展。


雷軍、英特爾為GaN"帶貨"

紅米300W GaN快充，刷新手機快充記錄

2月28日，雷軍公眾號公開了一款名為“300瓦神仙秒充”的GaN充電器，5分鐘充滿100%電，刷新手機快充記錄。

據悉，該快充基于Redmi Note 12探索版魔改而來，采用了定制的6:2電荷泵芯片，芯片最高轉換效率高達98%，多顆電荷泵并聯后直接給電池充電，實現了300瓦超大功率。

此外，它還搭載了第四代GaN集成化方案，功率高、體積小、發熱低，效率也更高。在功率大漲43%的情況下，其體積與小米上一代210瓦充電器完全相同，功率密度達到2.31W/cm3。

英特爾引入GaN，效率達98%

2月23日，據英特爾官方消息，他們舉辦了主題為“攜手生態伙伴分享高能低碳新理念，共同打造綠色商用電腦”的新品發布會。值得一提的是，英特爾在供電設計上引入了氮化鎵技術，效率高達 98% 以上。

據悉，英特爾與包括清華同方、宏碁在內的 PC 產業合作伙伴共同推出了綠色商用電腦產品，多方合作開發出基于氮化鎵材料的全新電腦電源，不但體積比傳統電源縮小多達90％，對于小機箱更加友好，還能進一步達到80Plus鈦金標準，轉換效率超過98％，在供電過程中幾乎不產生額外的浪費。

“后來者居上”的第三代半導體材料氮化鎵

眾所周知，第一代半導體材料代表是硅，主要解決數據運算、存儲的問題；第二代半導體材料以砷化鎵為代表，它被應用到于光纖通訊，主要解決數據傳輸的問題；而第三代半導體，除了碳化硅，就是近幾年聲名鵲起，后來者居上的“氮化鎵”了。

氮化鎵作為第三代半導體材料的前沿代表，與前代半導體材料相比，多項指標有顯著提升。氮化鎵是氮和鎵的化合物，需要由人工合成，結構類似纖鋅礦。

從特性上來看，作為時下新興的半導體工藝技術，氮化鎵具有超越硅的多種優勢。與傳統的硅材料相比，氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、擊穿電場強、導通電阻低、電子遷移率高、轉換效率高、熱導率高、損耗低等優點。

在早期，氮化鎵廣泛運用于新能源汽車、軌道交通、智能電網、半導體照明、新一代移動通信等。隨著技術突破，成本逐漸得到控制，目前氮化鎵還被廣泛運用到消費類電子等領域。


打開四大新興市場

受汽車、電信、云系統、電壓轉換器、電動汽車等應用領域對日益高效的解決方案的需求的推動，基于 GaN 的功率器件的市場占有率正在急劇增長。我們將介紹 GaN 的一些應用，這些應用不僅代表了技術挑戰，而且最重要的是，代表了擴大市場的新興機遇。


電機驅動

由于其出色的特性，GaN 已被提議作為電機控制領域中傳統硅基 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。GaN 技術的開關頻率高達硅的 1,000 倍，加上較低的導通和開關損耗，可提供高效、輕巧且占用空間小的解決方案。高開關頻率（GaN 功率晶體管的開關速度可以達到 100 V/ns）允許工程師使用較低值（因此尺寸更小）的電感器和電容器。低 R DS( on) 減少產生的熱量，提高能源效率并實現更緊湊的尺寸。與 Si 基器件相比，GaN 基器件需要具有更高工作電壓、能夠處理高 dV/dt 瞬態和低等效串聯電阻的電容器。

GaN 提供的另一個優勢是其高擊穿電壓（50-100 V，與其他半導體可獲得的典型 5 至 15-V 值相比），它允許功率器件在更高的輸入功率和電壓下運行而無需損壞的。更高的開關頻率允許 GaN 器件實現更大的帶寬，因此可以實現更嚴格的電機控制算法。此外，通過使用變頻驅動 (VFD) 電機控制，可以實現傳統 Si MOSFET 和 IGBT 無法獲得的效率水平。此外，VFD 實現了極其精確的速度控制，因為電機速度可以上升和下降，從而將負載保持在所需的速度。


5G

GaN 還在 RF 領域提供了具體且非常有趣的前景，能夠非常有效地放大高頻信號（甚至幾千兆赫的數量級）。因此，可以創建能夠覆蓋相當遠距離的高頻放大器和發射器，用于雷達、預警系統、衛星通信和基站等應用。

作為下一代移動技術，5G 在更大容量和效率、更低延遲和無處不在的連接方面具有顯著優勢。使用不同的頻段，包括 sub-6-GHz 頻段和毫米波 (mmWave)（24-GHz 以上）頻段，需要 GaN 等能夠提供高帶寬、高功率密度和卓越效率的材料價值觀。由于其物理特性和晶體結構，GaN 可以在相同的施加電壓下支持比可比較的橫向擴散 MOSFET 器件更高的開關頻率，從而實現更小的占位面積。新興的 5G 技術，例如大規模多輸入多輸出 (MIMO) 和毫米波，需要專用的射頻前端芯片組。GaN-on-SiC，它將 GaN 的高功率密度與 SiC 的高導熱性和降低的射頻損耗相結合，被證明是高功率 5G 和射頻應用的最合適的解決方案。目前市場上有幾種適用于 5G 應用的 GaN 器件，例如用于 5G 大規模 MIMO 應用的低噪聲放大器和多通道開關。

無線電力傳輸

GaN 最具創新性的應用之一是無線充電技術，其中 GaN 的高效率通過將更多的能量傳輸到接收設備來降低功率損耗。這些系統通常包括一個射頻接收器和一個功率放大器，工作頻率為 6.78 或 13.56 MHz，并基于 GaN 器件。與傳統的硅基器件相比，GaN 晶體管獲得了尺寸非常緊湊的解決方案，這是無線充電應用的關鍵因素。一個示例應用是在無人機中，其中可用空間有限，并且可以在無人機從短距離懸停在充電器上的情況下進行充電。

最有效的集成無線功率傳輸解決方案使用 GaN 晶體管將系統尺寸減小多達 2 到 3 倍，從而降低充電系統成本。650-V GaN e-HEMT 晶體管為高效無線充電提供了理想的解決方案，功率范圍從大約 10 W 到超過 2 kW。


數據中心

GaN 與硅的結合也為數據中心領域提供了重要機會，其中高性能和降低成本至關重要。在云服務器 24/7 全天候運行的數據中心中，電壓轉換器被廣泛使用，典型值為 48 V、12 V 甚至更低的電壓，用于為多處理器系統內核供電。隨著全球發電量的快速增長，電力轉換效率已成為尋求實現凈零排放的公司的關鍵因素，包括運營數據中心和云計算服務的公司。數據中心在更小的空間內需要越來越多的功率，這是 GaN 技術可以廣泛滿足的要求，實現轉換器和電源的更高效率、尺寸減小和更好的熱管理，從而降低供應商的成本。


總結

未來，氮化鎵也將不再局限于快充等消費電子市場，可廣泛應用于通信、計算機、消費電子、汽車電子、航空航天、國防軍工等傳統產業領域。專家認為，由于其商業化進展快，將領跑第三代半導體市場。