GaN如何改變半導體的未來(lái)？

來(lái)源：半導體芯聞內容編譯自techradar，謝謝。

GaN正在幫助半導體行業(yè)擺脫對硅的依賴(lài)。

全球半導體短缺正在推遲從冰箱和微波爐到游戲機和智能手機的所有產(chǎn)品的生產(chǎn)。專(zhuān)家表示，該行業(yè)可能需要幾個(gè)月的時(shí)間才能恢復，但實(shí)際上短缺正在永遠改變消費電子產(chǎn)品。
該行業(yè)幾十年來(lái)一直依賴(lài)硅，但芯片短缺正在幫助電子設備更環(huán)保、更高效、更小。越來(lái)越多的公司開(kāi)始轉向氮化鎵 (GaN)，因為它比硅芯片更容易、更快地生產(chǎn)，還有其他好處。
TechRadar Pro采訪(fǎng)了Navitas半導體公司的企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)和投資者關(guān)系副總裁斯蒂芬·奧利弗，以了解短缺如何影響消費電子產(chǎn)品，并將行業(yè)從硅轉移。Navitas為Anker、Aukey、Belkin、Dell、Hyper、聯(lián)想、OPPO、RAVPower、Verizon等數十家公司提供GaN芯片。
Navitas 就 GaN 電源市場(chǎng)的一些行業(yè)趨勢回答了這些問(wèn)題：
什么是 GaN，為什么它如此重要？

氮化鎵(GaN)由原子序數31的鎵和原子序數7的氮結合而成，是一種具有堅硬的六角形晶體結構的寬帶隙半導體材料。帶隙是將電子從圍繞原子核的軌道上釋放出來(lái)所需的能量，在3.4 eV時(shí)，氮化鎵的帶隙是硅的三倍以上，因此被稱(chēng)為“寬”帶隙或WBG。
由于帶隙決定了材料可以承受的電場(chǎng)，氮化鎵的更寬帶隙使得能夠開(kāi)發(fā)具有非常短或窄耗盡區的半導體，從而產(chǎn)生具有非常高載流子密度的器件結構。通過(guò)更小的晶體管和更短的電流路徑，實(shí)現了超低電阻和電容，使速度提高了100倍。
最重要的是，GaN 技術(shù)可以以比傳統硅小得多的尺寸處理更大的電場(chǎng)，同時(shí)提供顯著(zhù)更快的開(kāi)關(guān)速度。此外，GaN 技術(shù)可以在比硅基技術(shù)更高的最高溫度下運行。
GaN 的重要性與日俱增，因為它能夠在廣泛的應用中提供顯著(zhù)改進(jìn)的性能，同時(shí)與傳統的硅技術(shù)相比，它減少了提供該性能所需的能量和物理空間。在硅作為功率轉換平臺已達到其物理極限的某些應用中，氮化鎵技術(shù)變得至關(guān)重要，而在其他應用中，效率、開(kāi)關(guān)速度、尺寸和高溫操作的優(yōu)勢結合在一起，使GaN越來(lái)越有吸引力。
隨著(zhù)全球能源需求的增加，轉向GaN技術(shù)將有助于滿(mǎn)足需求，同時(shí)將碳排放量保持在最低水平。事實(shí)上，氮化鎵的設計和集成已被證明可以交付下一代功率半導體，其碳足跡比舊的、速度較慢的硅芯片低十倍。為了進(jìn)一步支持氮化鎵的情況，據估計，全球Si-to-GaN數據中心的升級將減少30-40%的能源損失，這意味著(zhù)到2030年將節省超過(guò)100萬(wàn)億瓦特的能源和1.25億噸的二氧化碳排放。
鎵是如何制成的？

鎵在自然界中不以單質(zhì)形式存在。它通常是鋁土礦冶煉成鋁和閃鋅礦加工鋅的副產(chǎn)品，因此提取和精煉的碳足跡非常低。
鎵的價(jià)格是多少？

鎵的年產(chǎn)量超過(guò)300噸，估計全世界的儲量超過(guò)100萬(wàn)噸。由于它是一種加工副產(chǎn)品，成本相對較低，約300美元/公斤，比黃金(約6萬(wàn)美元/公斤)低200倍。
GaN在電子產(chǎn)品中的用途是什么？

氮化鎵長(cháng)期以來(lái)一直用于生產(chǎn) LED 和射頻元件，但現在正逐漸被越來(lái)越多的電源開(kāi)關(guān)和轉換應用所接受。在這里，基于 GaN 的 IC 可以滿(mǎn)足提高系統性能和效率、節省空間并在更高溫度下提供可靠運行的需求。
在手機和筆記本電腦中，GSM 和 Wi-Fi 信號使用 GaN RF 設備進(jìn)行傳輸和接收，而為這些設備供電的充電器和適配器越來(lái)越多地采用 GaN。事實(shí)上，目前最大的功率 GaN 市場(chǎng)是移動(dòng)快速充電，其中 GaN 功率 IC 可以使適配器的充電速度提高三倍，而適配器的尺寸和重量只有基于硅的慢速設計的一半。更重要的是，對于單輸出充電器，GaN 零售推出價(jià)格約為之前同類(lèi)最佳硅充電器的一半，而多輸出充電器則低三倍。
氮化鎵功率半導體也被部署在數據中心服務(wù)器上。隨著(zhù)數據中心流量的加速，硅高效處理電力的能力遇到了“物理材料”的障礙。因此，老式、緩慢的硅芯片被高速的氮化鎵集成電路所取代。
數據中心硬件的整合、新的 HVDC 架構方法以及經(jīng)過(guò)驗證的量產(chǎn)、高度集成的 GaN 功率 IC 的可靠性能夠顯著(zhù)提高效率。因此，部署 GaN 代表了數據中心行業(yè)朝著(zhù)碳“凈零”目標邁出的又一步。
在汽車(chē)行業(yè)，氮化鎵正成為混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)中功率轉換和電池充電的首選技術(shù)?；?GaN 的電源產(chǎn)品也越來(lái)越多地出現在太陽(yáng)能裝置使用的逆變器以及電機驅動(dòng)和其他工業(yè)應用的電源轉換方案中。
為什么 GaN 不受當前芯片短缺的影響？

硅是一種商品，因此制造商需要以高負載百分比、3 班制、24/7 全天候運行來(lái)賺錢(qián)，需要較長(cháng)的交貨時(shí)間和高資本支出來(lái)增加產(chǎn)能。硅芯片制造商很難啟動(dòng)和停止（由于 Covid 的不確定性），并且從任何停止中恢復的靈活性都非常有限
另一方面，GaN 的交貨時(shí)間非?？?，只需 12 周，備用產(chǎn)能迅速增加，而某些硅器件需要 52 周以上。GaN 的生產(chǎn)效率比硅更高，制造工藝更靈活，因此 GaN 不會(huì )像硅那樣受到影響。
GaN會(huì )成為硅的替代品嗎？

氮化鎵 (GaN) 是一種“寬帶隙”(WBG) 材料，帶隙是將電子從圍繞原子核的軌道釋放并允許其自由穿過(guò)固體所需的能量。這反過(guò)來(lái)又決定了固體能夠承受的電場(chǎng)。
硅 (Si) 的帶隙為 1.1 eV，而 GaN 的帶隙為 3.4 eV。由于 WBG 材料允許高電場(chǎng)，耗盡區可以非常短或窄，因此器件結構可以具有更高的載流子密度并且可以非常密集地封裝。 
例如，一個(gè)典型的 650 V 橫向 GaN 晶體管可以支持超過(guò) 800 V 并且具有 10-20 μm 或大約 40-80 V/μm 的漏極漂移區。這大大高于硅的理論極限，約為 20 V/μm。然而，它仍然遠遠低于約 300 V/μm 的帶隙限制，為未來(lái)橫向 GaN 器件的世代改進(jìn)留下了很大的空間。
在器件級方面，從歸一化導通電阻 (RDS(ON)) 和柵極電荷 (QG) 的乘積中得出的品質(zhì)因數可能比硅好 5 倍到 20 倍，具體取決于實(shí)現方式。通過(guò)促進(jìn)更小的晶體管和更短的電流路徑，實(shí)現了超低電阻和電容，并且開(kāi)關(guān)速度快了一百倍。
為了充分利用 GaN 功率 IC 的能力，電路的其余部分也必須能夠在更高的頻率下有效運行。近年來(lái)，控制 IC 被引入以將開(kāi)關(guān)頻率從 65-100 kHz 提高到 1 MHz+，并且正在開(kāi)發(fā)新的控制器。微控制器和數字信號處理器 (DSP) 也可用于實(shí)現當今的軟開(kāi)關(guān)電路拓撲，同時(shí)針對 1-2 MHz 范圍優(yōu)化的各種磁性材料現已上市。
GaN功率ic在半橋拓撲(如有源箝位反激式、圖騰柱PFC和LLC)中結合了頻率、密度和效率優(yōu)勢。通過(guò)從硬開(kāi)關(guān)拓撲到軟開(kāi)關(guān)拓撲的改變，一次場(chǎng)效應晶體管的一般損耗方程可以最小化，從而在更高的頻率下提高效率。
GaN 使用 250-350 nm CMOS 設備進(jìn)行加工，用于功率處理的特征尺寸相對較大。CPU、GPU 使用約 1V 的硅，并使用低于 10 納米的工藝設備來(lái)獲得非常精細的特征尺寸以進(jìn)行數字處理。因此，最佳的方法是使用 GaN 進(jìn)行“功率轉換”，使用硅進(jìn)行“數據處理”。
GaN 的未來(lái)會(huì )怎樣？

憑借創(chuàng )紀錄的性能，氮化鎵功率 IC 成為電力電子領(lǐng)域第二次革命的催化劑。氮化鎵目前覆蓋的器件電壓范圍為80-900V，正在進(jìn)行的研究工作將其降低或提高。
是什么推動(dòng)了充電容量的快速增長(cháng)？ 

對于移動(dòng)市場(chǎng)，在更大屏幕和更多特性和功能的推動(dòng)下，電池尺寸 (mAhr) 在三年內增加了 10 倍，而用戶(hù)希望在最短的時(shí)間內為設備充電。新型氮化鎵 (GaN) 半導體技術(shù)是充電容量快速提升的基礎，因為與傳統硅技術(shù)相比，它們可以顯著(zhù)提高各種應用的性能，同時(shí)減少提供該性能所需的能量和物理空間。GaN IC 的運行速度比舊的慢速硅 (Si) 芯片快 20 倍，并且在尺寸和重量減半的情況下實(shí)現高達 3 倍的功率提升或 3 倍的充電速度。 
此外，全球需要更環(huán)保的能源。與硅系統相比，使用 GaN 功率 IC 的高效、高速應用更小、更輕、使用更少的材料和更少的能源。每個(gè)出廠(chǎng)的清潔、綠色 GaN 功率 IC 可節省 4 kg 二氧化碳。GaN 可以節省高達 2.6 噸/年的二氧化碳排放量——相當于 650 座燃煤發(fā)電站的排放量  
有人認為快速充電可能會(huì )損壞電池，如今這種說(shuō)法有多正確？ 

通用串行總線(xiàn)供電 (USB-PD) 協(xié)議是充電器和被驅動(dòng)設備（無(wú)論是手機、平板電腦、筆記本電腦還是耳塞式耳機）之間的通信和保護回路。例如，智能手機會(huì )告知充電器要提供多少功率和電壓，這在電池技術(shù)的設計限制范圍內是安全的。同時(shí)，石墨烯鋰離子等新型電池技術(shù)可以實(shí)現更快的充電速度、低溫運行和長(cháng)壽命。例如，新的 Realme Neo GT 3 使用 150W 超快速充電器，只需 9 分鐘即可為 4,500mAh 電池從 0-100% 供電，同時(shí)保持電池處于低溫狀態(tài)。充電協(xié)議還可以在電池電量耗盡/電量不足時(shí)啟用高電流（充電速率），然后在電池接近充滿(mǎn)電時(shí)降低電流。
我們能否看到這種技術(shù)出現在大容量電源仍然是常態(tài)的 PC 和筆記本電腦上？ 

當然，GaN 充電器已經(jīng)進(jìn)入筆記本電腦充電器，例如 LG gram、戴爾 Latitude、聯(lián)想和 Yoga 筆記本電腦。例如，新的戴爾 60W 充電器是傳統硅基充電器的“內置”可選升級。這款充電器的尺寸僅為 66 x 55 x 22 毫米（94 毫升），重量?jì)H為 175 克，比上一代硅基充電器小 50%，輕 25%。還應注意，GaN 的“綠色”優(yōu)勢使 OEM 能夠實(shí)現其“凈零”目標——例如，基于 GaN 的 65W 適配器的二氧化碳排放量比傳統硅低 30%。 
更快甚至準瞬時(shí)充電的極限在哪里，還有哪些障礙？ 

通用串行總線(xiàn)供電 (USB-PD) 協(xié)議具有擴展的功率范圍，現在高達 240W，可實(shí)現互操作性，加快市場(chǎng)接受度。OPPO已經(jīng)發(fā)布了一個(gè)功率高達 240W 的平臺，因此“即時(shí)充電”智能手機可能即將問(wèn)世。
會(huì )在某個(gè)時(shí)候把它推廣到汽車(chē)上嗎？或其他需要快速充電的產(chǎn)品？ 

毫無(wú)疑問(wèn)，同樣快 3 倍的充電速度可以應用于任何基于電池的應用——減少續航里程和充電時(shí)間焦慮。與傳統的硅解決方案相比，基于 GaN 的車(chē)載充電器 (OBC) 估計充電速度快 3 倍，節能高達 70%。據估計，GaN OBC、DC-DC 轉換器和牽引逆變器將擴大電動(dòng)汽車(chē)的續航里程或將電池成本降低 5%，并將全球電動(dòng)汽車(chē)的采用速度加快 3 年。將電動(dòng)汽車(chē)升級到 GaN 可以在三年內推動(dòng)全球電動(dòng)汽車(chē)的采用，據估計，到 2050 年，道路部門(mén)的二氧化碳排放量每年將減少 20%，這是《巴黎協(xié)定》的目標。這對我們所有人來(lái)說(shuō)都是一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

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