什么是氮化鎵（GaN）？

氮化鎵，由鎵（原子序數(shù) 31）和氮（原子序數(shù) 7）結(jié)合而來的化合物。它是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料。禁帶，是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，氮化鎵的禁帶寬度為 3.4eV，是硅的 3 倍多，所以說氮化鎵擁有寬禁帶特性（WBG）。

禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場。氮化鎵比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細(xì)窄的耗盡區(qū)，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構(gòu)。由于氮化鎵具有更小的晶體管、更短的電流路徑、超低的電阻和電容等優(yōu)勢，氮化鎵充電器的充電器件運(yùn)行速度，比傳統(tǒng)硅器件要快 100倍。

由于具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)，更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻，氮化鎵基功率器件明顯比硅基器件更優(yōu)越。 氮化鎵晶體可以在各種襯底上生長，包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。 在硅上生長GaN外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而無需使用高成本的特定生產(chǎn)設(shè)施，而且以低成本采用大直徑的硅晶片。

更重要的是，氮化鎵相比傳統(tǒng)的硅，可以在更小的器件空間內(nèi)處理更大的電場，同時(shí)提供更快的開關(guān)速度。此外，氮化鎵比硅基半導(dǎo)體器件，可以在更高的溫度下工作。

氮化鎵用于制造半導(dǎo)體功率器件，也可以用于制造射頻元件和發(fā)光二極管（LED）。 氮化鎵技術(shù)展示出它可以在功率轉(zhuǎn)換、射頻及模擬應(yīng)用中，替代硅基半導(dǎo)體技術(shù)。

為什么氮化鎵(GaN)很重要？

氮化鎵(GaN)的重要性日益凸顯。因?yàn)樗c傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，不僅性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍廣泛，而且還能有效減少能量損耗和空間的占用。在一些研發(fā)和應(yīng)用中，傳統(tǒng)硅器件在能量轉(zhuǎn)換方面，已經(jīng)達(dá)到了它的物理極限。而上限更高的氮化鎵，可以將充電效率、開關(guān)速度、產(chǎn)品尺寸和耐熱性的優(yōu)勢有機(jī)統(tǒng)一，自然更受青睞。

隨著全球能量需求的不斷增加，采用氮化鎵技術(shù)除了能滿足能量需求，還可以有效減少碳排放。事實(shí)上，氮化鎵的設(shè)計(jì)和集成度，已經(jīng)被證明可以成為充當(dāng)下一代功率半導(dǎo)體，其碳足跡比傳統(tǒng)的硅基器件要小10倍。據(jù)估計(jì)，如果全球采用硅芯片器件的數(shù)據(jù)中心，都升級為使用氮化鎵功率芯片器件，那全球的數(shù)據(jù)中心將減少30-40% 的能源浪費(fèi)，相當(dāng)于節(jié)省了 100 兆瓦時(shí)太陽能和減少1.25 億噸二氧化碳排放量。

氮化鎵的吸引力不僅僅在于性能和系統(tǒng)層面的能源利用率的提高。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)，制造一顆氮化鎵功率芯片，可以在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)減少80% 化學(xué)物及能源損耗，此外還能再節(jié)省超過 50% 的包裝材料，那氮化鎵的環(huán)保優(yōu)勢，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)慢速硅材料。

把電子性能提升至另一個(gè)更高的水平及使得摩爾定律復(fù)活的領(lǐng)先侯選原材料，就是氮化鎵材料。目前已經(jīng)被證實(shí)，與硅基器件相比，氮化鎵器件傳導(dǎo)電子的效率可以高出1000倍，而同時(shí)比硅基器件的制造成本較低。硅基器件的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了極限，而一種新興并具備較高性能的半導(dǎo)體材料正在冒起 - 氮化鎵材料。

氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

長期以來，氮化鎵一直被用于 LED 和射頻元件的生產(chǎn)，但現(xiàn)在，不斷發(fā)展增長的電源開關(guān)和轉(zhuǎn)換應(yīng)用市場中，氮化鎵越來越成為主流選擇。而基于氮化鎵的功率芯片，還可以滿足高性能、空間占用小、耐高溫的要求。

在手機(jī)和筆記本電腦中，你可以用基于氮化鎵的射頻器件，收發(fā)移動網(wǎng)絡(luò)和 WiFi 信號。而為這些設(shè)備充電的充電器，也越來越多地采用氮化鎵功率芯片。目前，功率氮化鎵最大的市場，是移動設(shè)備的快充市場。氮化鎵功率芯片可以讓使充電器的充電速度，比傳統(tǒng)硅充電器快高三倍，但尺寸和重量，只有后者的一半。更重要的是，采用氮化鎵的單口充電器產(chǎn)品，價(jià)格只有最好的舊款硅充電器的一半；而多口輸出的氮化鎵充電器，價(jià)格更是比舊款硅充電器低三倍多。

氮化鎵功率芯片也能部署在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之中。隨著數(shù)據(jù)中心流量的增加，硅傳輸能量的能力到達(dá)了“物理性質(zhì)”的限制。最終，傳統(tǒng)的硅芯片，在功率芯片領(lǐng)域會被高速的氮化鎵功率芯片取而代之。

數(shù)據(jù)中心硬件的整合、新的 HVDC 高壓直流架構(gòu)方法，以及大規(guī)模量產(chǎn)、高度集成的氮化鎵功率芯片，使充電效率得到了重大改善。據(jù)估計(jì)，如果全球采用硅器件的數(shù)據(jù)中心，都升級為氮化鎵器件，那全球的數(shù)據(jù)中心將減少30-40% 的能源浪費(fèi)，相當(dāng)于相當(dāng)于節(jié)省了 100 兆瓦時(shí)太陽能和1.25 億噸二氧化碳排放量。因此，使用氮化鎵，代表著數(shù)據(jù)中心行業(yè)向“凈零排放”（Net-Zero）的目標(biāo)，又邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

在汽車行業(yè)，氮化鎵正成為新能源汽車領(lǐng)域中，電源轉(zhuǎn)換和電池充電的首選技術(shù)?；诘壍墓β十a(chǎn)品，也越來越多地出現(xiàn)在太陽能發(fā)電裝置采用的逆變器中，以及電機(jī)驅(qū)動和其他工業(yè)電源轉(zhuǎn)換的方案中。

氮化鎵的未來發(fā)展方向是什么?

盡管 GaN 等寬帶隙器件的定制封裝仍處于起步階段，但它是一個(gè)將在未來十年內(nèi)得到大力發(fā)展的主題。有創(chuàng)新的解決方案可以轉(zhuǎn)移器件端子，例如焊盤下電路 (CUP) 結(jié)構(gòu)和穿 GaN 溝槽開始進(jìn)入市場。

目前正在進(jìn)行關(guān)于更好的熱界面材料和芯片連接方法的學(xué)術(shù)研究。從傳統(tǒng)的焊接轉(zhuǎn)向使用銀的燒結(jié)方法正在獲得動力。

像所有功率半導(dǎo)體一樣，沒有一種萬能的方法，我認(rèn)為我們將看到更多的多樣性和量身定制的解決方案向前發(fā)展，這將是令人著迷的！

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