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。

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。

為什么氮化鎵（GaN）很重要？

氮化鎵（GaN）的重要性日益凸顯，增加。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，還可以有效降低碳排放。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)的硅基器件要低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1.25 億噸二氧化碳排放量。

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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)，制造一顆片氮化鎵功率芯片，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。

氮化鎵： 歷史與未來

鎵在自然界中不以元素形式存在。它通常是在鋁土礦加工成鋁的過程中，或閃鋅礦提煉為鋅的過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。因此鎵的提取和精煉，碳足跡非常低。

鎵每年產(chǎn)量超過 300 噸，預(yù)計(jì)全世界的存儲量超過 100 萬噸。由于鎵是一種加工副產(chǎn)品，所以成本相對較低，約為每公斤 300 美元，比每公斤約 6 萬美元的黃金要低 200 倍。

德米特里 · 門捷列夫（Dmitri Mendeleev）在1871年預(yù)測了鎵的存在。1875年，德布瓦博德蘭（Paul-émile Lecoq de Boisbaudran）在巴黎被發(fā)現(xiàn)鎵，并以他祖國法國的拉丁語 Gallia （高盧）為這種元素命名它。純氮化鎵的熔點(diǎn)只有30攝氏度（86華氏度） ，因此在正常體溫下，它會在人的手中融化。

又過了65年，氮化鎵首次被人工合成。直到20世紀(jì)60年代，制造氮化鎵單晶薄膜的技術(shù)才得以出現(xiàn)。作為一種化合物，氮化鎵的熔點(diǎn)超過1600℃，比硅高200℃。

1972年，基于氮化鎵材質(zhì)的 LED 發(fā)光二極管才被發(fā)明出來（使用摻有鎂的氮化鎵）。這是里程碑式的歷史事件。雖然最初的氮化鎵 LED ，亮度還不足以商用，但這是人類第一次制備出能夠發(fā)出藍(lán)紫色光的LED。1991年，一種生產(chǎn)更高亮度的藍(lán)色LED的方法獲得了專利，兩年后，高亮度的藍(lán)色 LED 就誕生了。

高亮度的藍(lán)色LED商用，是電子行業(yè)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過添加熒光粉涂層，人類實(shí)現(xiàn)了有可能創(chuàng)造出能夠替代低效白熾燈的白色LED。添加紅色和綠色的LED，就可以組成一款基于 LED 的顯示器。從第一臺LED背光液晶電視到最新的OLED屏幕，這加速了陰極射線管（CRT）電視和顯示器市場的更替，以及基于硅的 “偏轉(zhuǎn)晶體管”屏幕產(chǎn)品的消亡。

因此，氮化鎵是我們在電視、手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和顯示器中，使用的高分辨率彩色屏幕背后的核心技術(shù)。在光子學(xué)方面，氮化鎵還被用于藍(lán)光激光技術(shù)（最明顯的是用于藍(lán)光播放器的光盤激光頭）。

在光子學(xué)之外，雖然氮化鎵晶體管在1993年就發(fā)布了相關(guān)技術(shù)，但直到2004年左右，第一個(gè)氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）才開始商用。這些晶體管通常用于需要高效能、高電壓的射頻基礎(chǔ)設(shè)施。幾年后，即2008年，氮化鎵金屬氧化物半導(dǎo)場效晶體（MOSFET）（在硅襯底上形成）得到推廣，但由于電路復(fù)雜和缺乏高頻生態(tài)系統(tǒng)組件，使用率較低。

納微半導(dǎo)體成立于2014年，使命是在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域充分發(fā)揮氮化鎵功率芯片具備的寬禁帶器件的優(yōu)勢，傳遞寬禁帶技術(shù)應(yīng)用的廣闊可能性，實(shí)現(xiàn)電力電子領(lǐng)域的速度革命。2018年，納微半導(dǎo)體入選 EETimes 著名的 “Silicon 60 “創(chuàng)業(yè)公司榜單名單，2019年，F(xiàn)rost and Sullivan弗若斯特沙利文咨詢公司認(rèn)可了納微半導(dǎo)體的獨(dú)特愿景，系統(tǒng)方案和和核心技術(shù)，認(rèn)為納微有望催生并帶來基于氮化鎵的下一代電源系統(tǒng)。同年，納微半導(dǎo)體被授予上海張江895和張江科學(xué)城ICV先鋒聯(lián)盟 “創(chuàng)新之星”稱號，隨后在2020年，納微半導(dǎo)體同時(shí)獲得中國通信工業(yè)協(xié)會（CCIA）的 “半導(dǎo)體設(shè)計(jì)創(chuàng)新優(yōu)秀獎(jiǎng)”和“Aspencore年度杰出創(chuàng)新公司”獎(jiǎng)。

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同樣是 2020 年，納微半導(dǎo)體宣布氮化鎵器件和應(yīng)用的專利，已經(jīng)超過100多項(xiàng)。

納微半導(dǎo)體持續(xù)仍在繼續(xù)不斷地開發(fā) GaNFast 系列功率芯片產(chǎn)品。和大多數(shù)傳統(tǒng)硅器件，或者早期分立式氮化鎵器件不同，納微半導(dǎo)體的這些器件，采用非常小巧的表面貼裝型封裝 QFN，消除了限速、有損分立驅(qū)動和保護(hù)電路，并縮小了印刷電路版（PCB）面積。

截止到2021年4月1日，納微半導(dǎo)體已經(jīng)完成了1820萬片零故障氮化鎵功率芯片的出貨運(yùn)輸。

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氮化鎵的應(yīng)用

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)格只有舊款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)格更是比舊老款硅充電器低三倍多。

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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。

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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)。基于氮化鎵的功率產(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。

為什么氮化鎵比硅更好？

氮化鎵（GaN）是一種“寬禁帶”（WBG）材料。禁帶，是指電子從原子核軌道上脫離出來所需要的能量，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）。

硅的禁帶寬度為1.1 eV，而氮化鎵的禁帶寬度為3.4 eV。由于寬禁帶材料具備高電場強(qiáng)度，耗盡區(qū)窄短，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構(gòu)。例如，一個(gè)典型的650V橫向氮化鎵晶體管，可以支持超過800V的電壓，其漏極漂移區(qū)為10-20μm，或大約40-80V/μm。這大大高于硅20V/μm的理論極限。然而，氮化鎵器件目前仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于約300V/μm的禁帶寬度極限，這為未來的優(yōu)化和改進(jìn)，留下了巨大的空間。

在器件層面，根據(jù)實(shí)際情況而言，歸一化導(dǎo)通電阻（RDS（ON））和柵極電荷（QG）乘積得出的優(yōu)值系數(shù)，氮化鎵比硅好 5 倍到 20 倍。通過采用更小的晶體管和更短的電流路徑，氮化鎵充電器將能實(shí)現(xiàn)了超低的電阻和電容，開關(guān)速度可提高一百倍。

為了充分利用氮化鎵功率芯片的能力，電路的其他部分也必須在更高的頻率下有效運(yùn)行。近年加入控制芯片之后，氮化鎵充電器的開關(guān)頻率，已經(jīng)從 65-100kHz，提高到 1MHz 以上。新的控制器正在開發(fā)中。微控制器和數(shù)字信號處理器（DSP），也可以用來實(shí)現(xiàn)目前軟開關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而目前廣泛采用的、為1-2 MHz范圍優(yōu)化的磁性材料，已經(jīng)可被使用了。

氮化鎵功率芯片，在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中結(jié)合了頻率、密度和效率優(yōu)勢。如有源鉗位反激式、圖騰柱PFC和LLC。隨著從硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，初級FET的一般損耗方程可以最小化，從而提升至10倍的高頻率。

氮化鎵功率芯片前所未有的性能表現(xiàn)，將成為第二次電力電子學(xué)革命的催化劑。

氮化鎵和碳化硅的對比

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）都是寬禁帶（WBG）材料，比硅（Si）有更好的物理性能。三種材料的禁帶寬度分別為：Si 1.1eV；SiC 3.2eV；GaN 3.4eV，所以氮化鎵和碳化硅處理更高的電壓比硅好得多。氮化鎵和碳化硅的擊穿電壓（以MV/cm計(jì)）都比硅高10倍。

氮化鎵和碳化硅之間的核心區(qū)別在于“速度”，或者說“電子遷移率”。在2，000 /Vs時(shí)，氮化鎵的電子遷移率比硅快30%，比碳化硅快300%，這意味著氮化鎵是高頻的贏家。氮化鎵功率開關(guān)被稱為 “高電子遷移率晶體管”（HEMT）。

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氮化鎵的寬禁帶特性，在100V至600V電壓的功率芯片應(yīng)用之中，能有效降低生產(chǎn)成本和碳排放。而碳化硅有更高的導(dǎo)熱性，適用于需要大量散熱的更高功率場景。兩者的另一個(gè)主要區(qū)別電流；碳化硅具有“縱向結(jié)構(gòu)”的特性，更適合高功率的應(yīng)用；而納微半導(dǎo)體的氮化鎵具有“橫向結(jié)構(gòu)”，使單片集成成為可能。橫向結(jié)構(gòu)的氮化鎵芯片，集成了功率場效應(yīng)管、驅(qū)動、邏輯、保護(hù)、傳感器和控制器。

氮化鎵功率芯片如何改善快充充電器設(shè)計(jì)？

氮化鎵的寬禁帶特性，在100V至600V電壓的功率芯片應(yīng)用之中，能有效降低生產(chǎn)成本和碳排放。而碳化硅有更高的導(dǎo)熱性，適用于需要大量散熱的更高功率場景。兩者的另一個(gè)主要區(qū)別電流；碳化硅具有“縱向結(jié)構(gòu)”的特性，更適合高功率的應(yīng)用；而納微半導(dǎo)體的氮化鎵具有“橫向結(jié)構(gòu)”，使單片集成成為可能。橫向結(jié)構(gòu)的氮化鎵芯片，集成了功率場效應(yīng)管、驅(qū)動、邏輯、保護(hù)、傳感器和控制器。

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什么是氮化鎵功率芯片？

通過SMT封裝，GaNFast? 氮化鎵功率芯片實(shí)現(xiàn)氮化鎵器件、驅(qū)動、控制和保護(hù)集成。這些GaNFast?功率芯片是一種易于使用的“數(shù)字輸入、電源輸出” （digital in， power out）模塊。由于閘極驅(qū)動器的阻抗基本為零，因此集成后可實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)的零損耗。此外，可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求，定制和控制開啟性能。

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