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走出实验室的“氮化镓”
栏目:行业动态 发布时间:2019-11-26
一片 2 英寸(约 5 厘米)直径的白色半透明、塑料质感的小圆片,在国际市场上的售价居然可以达到5,000到7,000美元;不但供不应求,而且由于国际贸易的技术壁垒,一片难求——这当然不是普通的塑料片,是被称为“第三代半导体材料”的氮化镓晶片。

                                                                         走出实验室的“氮化镓”     
        一片 2 英寸(约 5 厘米)直径的白色半透明、塑料质感的小圆片,在国际市场上的售价居然可以达到5,000到7,000美元;不但供不应求,而且由于国际贸易的技术壁垒,一片难求——这当然不是普通的塑料片,是被称为“第三代半导体材料”的氮化镓晶片。

                                                           

       你可能难以想象,一片2英寸的氮化镓晶片可以生产出1万盏亮度为节能灯10倍、发光效率为节能灯3-4倍、寿命为节能灯10倍的高亮度LED照明灯;也可以制造出5,000个平均售价在100美元以上的蓝光激光器;氮化镓晶片还可以被应用在电力电子器件,使得系统能耗降低30%以上;它也将是未来微波通信的核心材料,并使得同样面积的微波基站传输覆盖面积比目前至少提升一倍以上。


                                                            

       众所周知,第一代半导体是硅,主要解决数据运算、存储的问题;第二代半导体是以砷化镓为代表,它被应用到于光纤通讯,主要解决数据传输的问题;而第三代半导体,除了碳化硅,就是近几年声名鹊起,后来者居上的“氮化镓”小哥了,它在光电的转化方面的突出性能,微波信号传输方面的高效率,让它一跃成为我们半导体行业的新晋“红人”,而且渐有取代“硅”派大哥之势!


氮化镓
       如此神奇的“氮化镓”,其实早在1998年美国科学家研制出首个氮化镓晶体管后,便开始在半导体材料家族崭露头角,逐步扎根。最近几年,我国正在大力发展集成电路产业,作为电子产品重要材料和元件的第三代半导体材料氮化镓,自然而然地占据了C位。
       2015年5月,国务院印发的《中国制造2025》,4次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件;

       2016年9月科技部专门成立国家重点研发计划“战略性先进电子材料”专项——面向下一代移动通信的GaN基射频器件关键技术及系统应用”, 建立“产学研用”协同创新产业链,完成自主可控的GaN基射频器件和电路成套技术,实现GaN器件与电路在通信系统的应用,推动我国第三代半导体在射频功率领域的可持续发展;

       2018年7月,国内发布了《第三代半导体电力电子技术路线图》,主要从衬底/外延/器件、封装/???、SiC应用、GaN应用等四个方面提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测;

       成果方面,到目前为止,国内已有三条GaN生产/中试线相继投入使用,并在建了多个与第三代半导体相关的研发中试平台,在GaN衬底方面,类似纳维科技、中镓半导体等企业,已经小批量生产2英寸衬底,具备4英寸衬底生产能力,并开发出了6英寸衬底的样品。

如今的氮化镓,更是逐步走下神坛,走出实验室,从小到LED照明灯大到5G通讯,来到我们每个人的身边,潜移默化地影响着我们的生活。
起初,氮化镓这一半导体材料界的“新新人类”,最先在国防与航空领域有了用武之地。这位 “氮化镓”小哥在国防航空方面不遗余力地大展拳脚,成功吸引了电能资源、通讯等其他领域的注意目光,于是一场“氮化镓”的应用大戏在世界各地轮番上演。

GaN在国防航空领域的应用
       最早是在美国国防部的推动下,大家开始了氮化镓技术的研究,慢慢地就形成了现在GaN器件的市场。据统计,军事和航天领域占据了GaN器件总市场的40%,最大的应用市场是雷达和电子战系统。2016年3月,爱国者导弹防御系统美国雷神公司宣布采用了基于GaN技术的相控阵天线系统。之前的爱国者导弹防御系统的雷达采用的是被动电子扫描阵列系统,而雷神公司在16年决定将雷达系统改为基于GaN技术的主动电子扫描阵列(AESA),基于GaN技术的主动电子扫描阵列将提供给爱国者导弹防御系统360度无死角的雷达搜索制导能力。除此以外,包括机载火控雷达、弹载导引头、舰载预警防空雷达等等,越来越多的用到了基于GaN技术的相控阵天线系统。


                                               

       2018年,雷神又宣布开始在新生产的Guidance Enhanced Missile-TBM(GEM-T)拦截器中使用氮化镓(GaN)计算机芯片,以取代之前在导弹发射器中使用的行波管(TWT)。雷神希望通过使用GaN芯片升级GEM-T的发射器,提高拦截器的可靠性和效率。此外,在新生产导弹中过渡到GaN意味着发射器不需要在拦截器的使用寿命期间更换。

       雷神公司的GEM-T导弹是美国陆军爱国者空中和导弹防御系统的支柱,用于对付飞机和战术弹道导弹和巡航导弹。近些年来,雷神一直致力于推动GaN功率和效率向更高极限发展。新发射器具有与旧发射器相同的外形和功能,不需要额外的冷却,并且可以在通电几秒钟内运行。这意味着采用新型GaN发射器的GEM-T将能够继续在最苛刻的条件下运行。这种发射器技术也可能会在其他导弹上看到其他测试。陆军表示有兴趣用这些类型的发射器取代整个库存,在GEM-T计划中采用这些发射器能够将修复成本降低36%。

       现在这些GaN技术已经慢慢地正从军用转为民用。例如,汽车无人驾驶系统、60GHz频段的Wi-Fi技术、无线通信基站、还有就是5G通信。


                                                                                  GaN在5G方面的应用

       5G将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备都需要高频性能的射频器件来支持,此时氮化镓的优势就逐步凸显了。氮化镓作为一种宽禁带半导体,具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。

       尤其是随着全球移动数据流量不断增长,各移动运营商需要竭尽全力满足爆炸式增长的流量需求,通过载波聚合可以缓解移动互联网对于数据带宽的需求,载波聚合和大规模多入多出技术促使基站去采用性能更好的功放?;局幸郧安捎玫纳淦倒Ψ胖饕贚DMOS技术,但LDMOS技术的极限频率不超过3.5GHz,也不能满足视频应用所需的300MHz以上带宽。
                                                     



       而在Massive MIMO应用中,基站收发信机上使用大数量(如32/64等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套。与此同时,相比3G、4G时代,为了保证5G通讯的流畅快速,除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会相应增加, 如此一来,5G通讯的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。因此,在射频器件数量成百倍增加又不影响基站的体积大小和建设成本,这就使得器件的尺寸大小和成本控制很关键。
       能够同时满足上述要求的射频器件,就只有氮化镓了。与其他器件相比,氮化镓器件的瞬时带宽相较更高,这一点很重要,载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。与此同时,与硅或者其他器件相比,氮化镓速度更快,可以实现更高的功率密度。而且在可实现更高功率密度的同时,对于既定功率水平,GaN具有体积小的优势。有了更小的器件,就可以减小器件电容,从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。此外,硅基氮化镓在成本上也具有巨大的优势,随着硅基氮化镓技术的成熟,它能以最大的性价比优势取得市场的突破。
       利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大以及硅基氮化镓的成本优势,我们可以实现高集化的解决方案,如??榛淦登岸似骷?。
       因为上述原因,基站开始采用射频氮化镓器件来替代LDMOS器件。氮化镓作为新的材料所研发出的射频氮化镓技术,简直是5G的绝配。随着氮化镓技术的成熟,相信不止射频电路这一个应用,未来5G全行业上下游都可能采用这个新材料。

                                                                                           GaN在电力领域的应用
                             诺贝尔奖得主:天野浩


       日本一研究团队近日宣布,他们利用半导体材料氮化镓(GaN)研发的逆变器,已首次成功应用在电动汽车上,有望让电动汽车节能20%以上。该研究团队正是由2014年诺贝尔物理学奖得主之一、日本名古屋大学教授天野浩领导的。


       逆变器是电动汽车的关键部件之一,其功能是把电池所储存的直流电转换成电动机所需的交流电,也可以理解为是一种将低压(12、24或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。此次,天野浩团队通过利用氮化镓,研发出了可比一般纯电动车节能两成的纯电动车,并将该车命名为“ALL GaN Vehicle”。测试中已能达到时速50公里水平,计划今年内实现时速100公里。


       和传统技术相比,使用氮化镓的新型逆变器效率更高,可大幅降低转换中的电量损耗。它也可应用于混合动力汽车等其他环保车,有望帮助减少二氧化碳排放。


       “ALL GaN Vehicle”汽车已于24日开幕的第46届东京汽车展上展出。天野浩表示,使用氮化镓做电池的电动汽车尚属世界首例。但目前他们仍然面临装置的可靠性和价格这两样课题研究,他们希望新技术能尽快达到使用标准,争取2025年投入市场。

       这位“氮化镓”小哥,真是厉害了,一出手就知有没有!在电动汽车领域,氮化镓能够轻轻松松节能两成,在快充市场的表现也是令人惊艳。


       随着电子产品的屏幕越来越大,充电器的功率也随之增大,尤其是对于大功率的快充充电器,使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。而GaN技术可以做到,因为它是目前全球最快的功率开关器件,并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平,能够应用于更小的元件,应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸,比如使目前的典型45W适配器设计可以采用25W或更小的外形设计。

                                                                       

       氮化镓充电器可谓吸引了全球眼球,高速高频高效让大功率USB PD充电器不再是魁梧砖块,小巧的体积一样可以实现大功率输出,比APPLE原厂30W充电器更小更轻便。将内置氮化镓充电器与传统充电器并排放在一起看看,内置氮化镓充电器输出功率达到27W,APPLE USB-C充电器输出功率30W,两者功率相差不大,但体积上却是完全不同的级别,内置氮化镓充电器比苹果充电器体积小40%。

                                                                                    
       从各大手机厂商和芯片原厂的布局来看,USB PD快充将成为目前手机、游戏机、笔记本电脑等电子设备的首选充电方案,而USB Type-C也将成为下一个十年电子设备之间电力与数据传输的唯一接口,USB PD快充协议大一统的局面即将到来。

 
                                                                                                GaN在无人驾驶技术中的应用
       如果你有朝一日看见无人驾驶汽车在路上奔驰,那么只能说明一个问题:无人驾驶汽车终于拥有了「灵敏的眼睛」。而这双「眼睛」不是别的,正是激光雷达。激光雷达(LiDAR)是使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图,能够让系统根据实时的电子地图,快速感知车辆周围环境,并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息,控制车辆的转向和速度,从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。激光雷达作为自动驾驶最重要的传感器之一,撑起了自动驾驶的半壁江山。大公司如谷歌、宝马、奔驰、奥迪和沃尔沃,汽车供应商如博世、德尔福、大陆和先锋;初创企业如Cruise Automation,NuTonomy等,都在其自动驾驶系统中使用激光雷达。

                                                                                                

       一方面,氮化镓场效应晶体管相较MOSFET器件而言,开关速度快十倍,使得雷达系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势,除此以外,由于氮化镓场效应晶体管可实现优越的开关转换,也推动了无人驾驶更高的准确性。

                                                                                                 

       另一方面,在大力研发和推进自动化汽车普及过程中,汽车厂商和科技企业都在寻觅传感器和摄像头之间的最佳搭配组合,在有效控制成本且可以大批量生产的前提下,最大限度地提升对周围环境的感知和视觉能力。在众多化合物半导体材料中,氮化镓的传输速度明显更快,是目前激光雷达应用中硅元素的 100 甚至 1000 倍。这样的速度意味着拍摄照片的速度,照片的锐度以及精准度更优越,能够让我们更准确地描述道路前方的事物,进行变道的颜色预警。



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