What is Gallium Nitride (GaN)

什么是氮化镓(GaN)?

Gallium Nitride GaN

氮化镓(GaN)是一种用来制造半导体功率器件的材料,也可以用来制造射频元件和发光二极管(LED)。 氮化镓技术展示出它可以在功率转换、射频及模拟应用中替代硅基半导体。

在一百多年以前,当电子时代露出曙光时,功率设计工程师一直努力寻求最理想的开关 -- 支持快速、高效电源转换的开关,能够把原始电能转换成受控、有用的流动电子。首先出现的是真空管技术。可是,由于它产生大量的热量,所以能效低,而且体积大和成本高昂,使得它的应用受限。随后在50年代,晶体管被广泛地应用,它的小尺寸及具备较高效率的优势,使得它成为行业的“圣物”(holy grail),以及很快地替代了真空管而同时推动了庞大的、全新的市场发展,这是真空管技术所无法实现到的。

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硅基晶体管及电子时代的来临

硅材料很快便成为制造半导体晶体管的首选材料。这不独是因为它本质上具备卓越的电气特性,其生产成本也较真空管为低。此后,于70及80年代,硅基晶体管及随后的集成电路均发展迅猛。摩尔定律的规律是晶体管的性能大约于18个月之间得以翻倍,而同时其制造成本也会降低,驱使行业得以推出具备更高性能及更低成本的全新产品,从而深受客户欢迎。在功率转换中,硅基功率MOSFET器件实践了这个定律而成为硅基晶体管得以蓬勃发展的主要因素。

就像真空管技术一样,硅基功率MOSFET一直以来的发展 – 实现更高的性能及更低的价格 - 已经到了极限。幸运的是,市场一直要求具有极快速的开关、没有电阻、更低的成本等优势的理想开关,而且可制造高性能功率转换晶体管及集成电路的全新材料也推陈而出新。

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氮化镓半导体的快速发展

把电子性能提升至另一个更高的水平及使得摩尔定律复活的领先侯选原材料,就是氮化镓材料。目前已经被证实,与硅基器件相比,氮化镓器件传导电子的效率可以高出1000倍,而同时比硅基器件的制造成本较低。硅基器件的技术发展已经到了极限,而一种新兴并具备较高性能的半导体材料正在冒起 - 氮化镓材料。

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幸运的是,制造氮化镓器件的成本比制造MOSFET器件的成本为低,这是由于我们在目前用来制造传统硅基半导体的相同工厂中,采用制造硅器件的标准步骤来制造氮化镓器件,从而使得具有相同性能的氮化镓器件的体积可以细小很多。由于每个氮化镓器件都比硅基器件细小很多,因此每块晶圆可以产出更多的氮化镓器件,这样,与等效硅基器件相比,制造氮化镓器件的成本就总是更低。当氮化镓技术继续得以提升时,它与硅基器件的成本差距,将进一步扩大。

GaN vs silicon cost comparison

氮化镓时代正在不断迈步向前

氮化镓材料推动具备更高性能的晶体管及集成电路的出现,目前是勇于创新的功率设计工程师的最佳时机,于他们的设计中,发挥氮化镓器件的各种优势,包括:

  • 更低的导通电阻,从而实现更低的传导损耗
  • 更快速开关的器件可以实现更低的开关损耗
  • 更小的电容在对器件进行充电及放电时,可实现更低的损耗
  • 需要更少的功率来驱动电路
  • 更细小的器件可以减小解决方案于印刷电路板上的占板面积
  • 更低的成本

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