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走出實驗室的“氮化鎵”
欄目:行業動態 發布時間:2019-11-26
一片 2 英寸(約 5 厘米)直徑的白色半透明、塑料質感的小圓片,在國際市場上的售價居然可以達到5,000到7,000美元;不但供不應求,而且由于國際貿易的技術壁壘,一片難求——這當然不是普通的塑料片,是被稱為“第三代半導體材料”的氮化鎵晶片。

                                                                         走出實驗室的“氮化鎵”     
        一片 2 英寸(約 5 厘米)直徑的白色半透明、塑料質感的小圓片,在國際市場上的售價居然可以達到5,000到7,000美元;不但供不應求,而且由于國際貿易的技術壁壘,一片難求——這當然不是普通的塑料片,是被稱為“第三代半導體材料”的氮化鎵晶片。

                                                           

       你可能難以想象,一片2英寸的氮化鎵晶片可以生產出1萬盞亮度為節能燈10倍、發光效率為節能燈3-4倍、壽命為節能燈10倍的高亮度LED照明燈;也可以制造出5,000個平均售價在100美元以上的藍光激光器;氮化鎵晶片還可以被應用在電力電子器件,使得系統能耗降低30%以上;它也將是未來微波通信的核心材料,并使得同樣面積的微波基站傳輸覆蓋面積比目前至少提升一倍以上。


                                                            

       眾所周知,第一代半導體是硅,主要解決數據運算、存儲的問題;第二代半導體是以砷化鎵為代表,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”小哥了,它在光電的轉化方面的突出性能,微波信號傳輸方面的高效率,讓它一躍成為我們半導體行業的新晉“紅人”,而且漸有取代“硅”派大哥之勢!


氮化鎵
       如此神奇的“氮化鎵”,其實早在1998年美國科學家研制出首個氮化鎵晶體管后,便開始在半導體材料家族嶄露頭角,逐步扎根。最近幾年,我國正在大力發展集成電路產業,作為電子產品重要材料和元件的第三代半導體材料氮化鎵,自然而然地占據了C位。
       2015年5月,國務院印發的《中國制造2025》,4次提到了以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體功率器件;

       2016年9月科技部專門成立國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”專項——面向下一代移動通信的GaN基射頻器件關鍵技術及系統應用”, 建立“產學研用”協同創新產業鏈,完成自主可控的GaN基射頻器件和電路成套技術,實現GaN器件與電路在通信系統的應用,推動我國第三代半導體在射頻功率領域的可持續發展;

       2018年7月,國內發布了《第三代半導體電力電子技術路線圖》,主要從襯底/外延/器件、封裝/模塊、SiC應用、GaN應用等四個方面提出了中國發展第三代半導體電力電子技術的路徑建議和對未來產業發展的預測;

       成果方面,到目前為止,國內已有三條GaN生產/中試線相繼投入使用,并在建了多個與第三代半導體相關的研發中試平臺,在GaN襯底方面,類似納維科技、中鎵半導體等企業,已經小批量生產2英寸襯底,具備4英寸襯底生產能力,并開發出了6英寸襯底的樣品。

如今的氮化鎵,更是逐步走下神壇,走出實驗室,從小到LED照明燈大到5G通訊,來到我們每個人的身邊,潛移默化地影響著我們的生活。
起初,氮化鎵這一半導體材料界的“新新人類”,最先在國防與航空領域有了用武之地。這位 “氮化鎵”小哥在國防航空方面不遺余力地大展拳腳,成功吸引了電能資源、通訊等其他領域的注意目光,于是一場“氮化鎵”的應用大戲在世界各地輪番上演。

GaN在國防航空領域的應用
       最早是在美國國防部的推動下,大家開始了氮化鎵技術的研究,慢慢地就形成了現在GaN器件的市場。據統計,軍事和航天領域占據了GaN器件總市場的40%,最大的應用市場是雷達和電子戰系統。2016年3月,愛國者導彈防御系統美國雷神公司宣布采用了基于GaN技術的相控陣天線系統。之前的愛國者導彈防御系統的雷達采用的是被動電子掃描陣列系統,而雷神公司在16年決定將雷達系統改為基于GaN技術的主動電子掃描陣列(AESA),基于GaN技術的主動電子掃描陣列將提供給愛國者導彈防御系統360度無死角的雷達搜索制導能力。除此以外,包括機載火控雷達、彈載導引頭、艦載預警防空雷達等等,越來越多的用到了基于GaN技術的相控陣天線系統。


                                               

       2018年,雷神又宣布開始在新生產的Guidance Enhanced Missile-TBM(GEM-T)攔截器中使用氮化鎵(GaN)計算機芯片,以取代之前在導彈發射器中使用的行波管(TWT)。雷神希望通過使用GaN芯片升級GEM-T的發射器,提高攔截器的可靠性和效率。此外,在新生產導彈中過渡到GaN意味著發射器不需要在攔截器的使用壽命期間更換。

       雷神公司的GEM-T導彈是美國陸軍愛國者空中和導彈防御系統的支柱,用于對付飛機和戰術彈道導彈和巡航導彈。近些年來,雷神一直致力于推動GaN功率和效率向更高極限發展。新發射器具有與舊發射器相同的外形和功能,不需要額外的冷卻,并且可以在通電幾秒鐘內運行。這意味著采用新型GaN發射器的GEM-T將能夠繼續在最苛刻的條件下運行。這種發射器技術也可能會在其他導彈上看到其他測試。陸軍表示有興趣用這些類型的發射器取代整個庫存,在GEM-T計劃中采用這些發射器能夠將修復成本降低36%。

       現在這些GaN技術已經慢慢地正從軍用轉為民用。例如,汽車無人駕駛系統、60GHz頻段的Wi-Fi技術、無線通信基站、還有就是5G通信。


                                                                                  GaN在5G方面的應用

       5G將帶來半導體材料革命性的變化,隨著通訊頻段向高頻遷移,基站和通信設備都需要高頻性能的射頻器件來支持,此時氮化鎵的優勢就逐步凸顯了。氮化鎵作為一種寬禁帶半導體,具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點。與砷化鎵和磷化銦等高頻工藝相比,氮化鎵器件輸出的功率更大;與LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工藝相比,氮化鎵的頻率特性更好。

       尤其是隨著全球移動數據流量不斷增長,各移動運營商需要竭盡全力滿足爆炸式增長的流量需求,通過載波聚合可以緩解移動互聯網對于數據帶寬的需求,載波聚合和大規模多入多出技術促使基站去采用性能更好的功放?;局幸郧安捎玫纳漕l功放主要基于LDMOS技術,但LDMOS技術的極限頻率不超過3.5GHz,也不能滿足視頻應用所需的300MHz以上帶寬。
                                                     



       而在Massive MIMO應用中,基站收發信機上使用大數量(如32/64等)的陣列天線來實現了更大的無線數據流量和連接可靠性,這種架構需要相應的射頻收發單元陣列配套。與此同時,相比3G、4G時代,為了保證5G通訊的流暢快速,除了基站射頻收發單元陳列中所需的射頻器件數量大為增加,基站密度和基站數量也會相應增加, 如此一來,5G通訊的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數量增加。因此,在射頻器件數量成百倍增加又不影響基站的體積大小和建設成本,這就使得器件的尺寸大小和成本控制很關鍵。
       能夠同時滿足上述要求的射頻器件,就只有氮化鎵了。與其他器件相比,氮化鎵器件的瞬時帶寬相較更高,這一點很重要,載波聚合技術的使用以及準備使用更高頻率的載波都是為了得到更大的帶寬。與此同時,與硅或者其他器件相比,氮化鎵速度更快,可以實現更高的功率密度。而且在可實現更高功率密度的同時,對于既定功率水平,GaN具有體積小的優勢。有了更小的器件,就可以減小器件電容,從而使得較高帶寬系統的設計變得更加輕松。此外,硅基氮化鎵在成本上也具有巨大的優勢,隨著硅基氮化鎵技術的成熟,它能以最大的性價比優勢取得市場的突破。
       利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大以及硅基氮化鎵的成本優勢,我們可以實現高集化的解決方案,如模塊化射頻前端器件。
       因為上述原因,基站開始采用射頻氮化鎵器件來替代LDMOS器件。氮化鎵作為新的材料所研發出的射頻氮化鎵技術,簡直是5G的絕配。隨著氮化鎵技術的成熟,相信不止射頻電路這一個應用,未來5G全行業上下游都可能采用這個新材料。

                                                                                           GaN在電力領域的應用
                             諾貝爾獎得主:天野浩


       日本一研究團隊近日宣布,他們利用半導體材料氮化鎵(GaN)研發的逆變器,已首次成功應用在電動汽車上,有望讓電動汽車節能20%以上。該研究團隊正是由2014年諾貝爾物理學獎得主之一、日本名古屋大學教授天野浩領導的。


       逆變器是電動汽車的關鍵部件之一,其功能是把電池所儲存的直流電轉換成電動機所需的交流電,也可以理解為是一種將低壓(12、24或48伏)直流電轉變為220伏交流電的電子設備。此次,天野浩團隊通過利用氮化鎵,研發出了可比一般純電動車節能兩成的純電動車,并將該車命名為“ALL GaN Vehicle”。測試中已能達到時速50公里水平,計劃今年內實現時速100公里。


       和傳統技術相比,使用氮化鎵的新型逆變器效率更高,可大幅降低轉換中的電量損耗。它也可應用于混合動力汽車等其他環保車,有望幫助減少二氧化碳排放。


       “ALL GaN Vehicle”汽車已于24日開幕的第46屆東京汽車展上展出。天野浩表示,使用氮化鎵做電池的電動汽車尚屬世界首例。但目前他們仍然面臨裝置的可靠性和價格這兩樣課題研究,他們希望新技術能盡快達到使用標準,爭取2025年投入市場。

       這位“氮化鎵”小哥,真是厲害了,一出手就知有沒有!在電動汽車領域,氮化鎵能夠輕輕松松節能兩成,在快充市場的表現也是令人驚艷。


       隨著電子產品的屏幕越來越大,充電器的功率也隨之增大,尤其是對于大功率的快充充電器,使用傳統的功率開關無法改變充電器的現狀。而GaN技術可以做到,因為它是目前全球最快的功率開關器件,并且可以在高速開關的情況下仍保持高效率水平,能夠應用于更小的元件,應用于充電器時可以有效縮小產品尺寸,比如使目前的典型45W適配器設計可以采用25W或更小的外形設計。

                                                                       

       氮化鎵充電器可謂吸引了全球眼球,高速高頻高效讓大功率USB PD充電器不再是魁梧磚塊,小巧的體積一樣可以實現大功率輸出,比APPLE原廠30W充電器更小更輕便。將內置氮化鎵充電器與傳統充電器并排放在一起看看,內置氮化鎵充電器輸出功率達到27W,APPLE USB-C充電器輸出功率30W,兩者功率相差不大,但體積上卻是完全不同的級別,內置氮化鎵充電器比蘋果充電器體積小40%。

                                                                                    
       從各大手機廠商和芯片原廠的布局來看,USB PD快充將成為目前手機、游戲機、筆記本電腦等電子設備的首選充電方案,而USB Type-C也將成為下一個十年電子設備之間電力與數據傳輸的唯一接口,USB PD快充協議大一統的局面即將到來。

 
                                                                                                GaN在無人駕駛技術中的應用
       如果你有朝一日看見無人駕駛汽車在路上奔馳,那么只能說明一個問題:無人駕駛汽車終于擁有了「靈敏的眼睛」。而這雙「眼睛」不是別的,正是激光雷達。激光雷達(LiDAR)是使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或為周圍環境制作電子地圖,能夠讓系統根據實時的電子地圖,快速感知車輛周圍環境,并根據感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息,控制車輛的轉向和速度,從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。激光雷達作為自動駕駛最重要的傳感器之一,撐起了自動駕駛的半壁江山。大公司如谷歌、寶馬、奔馳、奧迪和沃爾沃,汽車供應商如博世、德爾福、大陸和先鋒;初創企業如Cruise Automation,NuTonomy等,都在其自動駕駛系統中使用激光雷達。

                                                                                                

       一方面,氮化鎵場效應晶體管相較MOSFET器件而言,開關速度快十倍,使得雷達系統具備優越的解像度及更快速反應時間等優勢,除此以外,由于氮化鎵場效應晶體管可實現優越的開關轉換,也推動了無人駕駛更高的準確性。

                                                                                                 

       另一方面,在大力研發和推進自動化汽車普及過程中,汽車廠商和科技企業都在尋覓傳感器和攝像頭之間的最佳搭配組合,在有效控制成本且可以大批量生產的前提下,最大限度地提升對周圍環境的感知和視覺能力。在眾多化合物半導體材料中,氮化鎵的傳輸速度明顯更快,是目前激光雷達應用中硅元素的 100 甚至 1000 倍。這樣的速度意味著拍攝照片的速度,照片的銳度以及精準度更優越,能夠讓我們更準確地描述道路前方的事物,進行變道的顏色預警。



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