What is Gallium Nitride (GaN)

甚麽是氮化鎵?氮化鎵(GaN)半導體詳解

氮化鎵 (GaN)

什麼是硅上的氮化鎵:理解氮化鎵技術

氮化鎵 (GaN) 是一種非常硬且機械穩定的二元III/V族直接帶隙半導體。由於具有更高的擊穿強度、更快的開關速度、更高的熱導率和更低的導通電阻,基於氮化鎵的功率器件顯著優於基於硅的器件。氮化鎵晶體可以在多種基板上生長,包括藍寶石、碳化矽 (SiC) 和硅 (Si)。通過在硅上生長氮化鎵外延層,可以使用現有的硅製造基礎設施,從而避免了昂貴的專用生產設施,並利用低成本、現成的大直徑硅晶片。

氮化鎵是如何工作的?

氮化鎵 (GaN) 在半導體世界中已成為一個顛覆者,特別是在高效能功率晶體管和集成電路方面。但是這項氮化鎵技術是如何運作的呢?

  • 2DEG的形成:通過在氮化鎵晶體上生長一層薄的氮化鋁鎵 (AlGaN),界面處會產生應變,誘導出補償性的二維電子氣 (2DEG)。這種2DEG可在施加電場時高效導電子。
  • 高效導電:這種2DEG具有高度的導電性,部分原因是電子被限制在界面的一個非常小的區域內。這種限制將電子的遷移率從未應變的氮化鎵中的約1000 cm²/V·s 提高到2DEG區域中的1500到2000 cm²/V·s之間。
  • 優越性能:氮化鎵的高導電性使晶體管和集成電路擁有更高的擊穿強度、更快的開關速度、更高的熱導率和更低的導通電阻,優於可比的硅解決方案。

氮化鎵技術的演變

  1. LED創新

    在1990年代初期,基於氮化鎵的LED憑藉其效率和亮度徹底改變了照明行業。這一突破促進了現已無處不在的節能照明解決方案的發展。

  2. 射頻和微波應用

    氮化鎵的高頻特性使其成為射頻 (RF) 和微波應用的理想選擇。它能夠處理高功率密度並在高頻下運行,這對無線通信系統的發展至關重要。

  3. 電力電子革命

    近年來,氮化鎵已成為電力電子領域的一個革命性技術。其優越的性能特徵,如低導通電阻和高開關速度,使得小型化且更高效的電力轉換器和馬達驅動器得以實現,對從消費電子到可再生能源等各行業產生了重大影響。

氮化鎵相較於矽和其他半導體材料的優勢

提高效率

提高效率

減小尺寸

減小尺寸

降低成本

降低成本

  • 更快的切換速度 = 更少的切換損耗和更小的解決方案
  • 更低的導通電阻 = 更低的導通損耗和更高的效率
  • 更小/更輕 = 印刷電路板上佔用更少的空間和體積
  • 更低的成本 = 整體系統和運營成本更低

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GaN 的多元應用

汽車電子

GaN 技術顯著提高了汽車電子產品的性能、效率和可靠性,促進了更先進和高效車輛的發展。

先進計算

GaN 技術在數據中心的電力轉換中提升了效率和功率密度,並且相較於傳統的矽基電力電子,尺寸和重量減少,適用於機器學習和人工智慧等先進計算應用。這降低了能耗、減少冷卻需求,並為數據中心運營商節省成本。

機器人與無人機

基於 GaN 的馬達驅動器可在更高頻率下運行,使機器人的運動控制更平滑且更精確。GaN 技術使馬達驅動器更高效、緊湊且可靠,提升了機器人和無人機系統的性能。

再生能源

基於 GaN 的電力電子設備能在更高頻率下運行,使太陽能轉換為電力的過程更為高效。這帶來了更高的能源產出和更低的系統成本。

消費電子

GaN 技術提升了消費電子產品的電力轉換效率,與傳統的矽基解決方案相比,提供了更高的效率、更小的尺寸、更輕的重量以及更快的充電能力。

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