什么是氮化鎵（GaN）？

氮化鎵，由鎵（原子序數 31）和氮（原子序數 7）結合而來的化合物。它是擁有穩定六邊形晶體結構的寬禁帶半導體材料。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。氮化鎵比傳統硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細窄的耗盡區，從而可以開發出載流子濃度非常高的器件結構。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勢，氮化鎵充電器的充電器件運行速度，比傳統硅器件要快 100倍。

更重要的是，氮化鎵相比傳統的硅，可以在更小的器件空間內處理更大的電場，同時提供更快的開關速度。此外，氮化鎵比硅基半導體器件，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。因為它與傳統的硅技術相比，不僅性能優異，應用范圍廣泛，而且還能有效減少能量損耗和空間的占用。在一些研發和應用中，傳統硅器件在能量轉換方面，已經達到了它的物理極限。而上限更高的氮化鎵，可以將充電效率、開關速度、產品尺寸和耐熱性的優勢有機統一，自然更受青睞。

隨著全球能量需求的不斷增加，采用氮化鎵技術除了能滿足能量需求，還可以有效降低碳排放。事實上，氮化鎵的設計和集成度，已經被證明可以成為充當下一代功率半導體，其碳足跡比傳統的硅基器件要低10倍。據估計，如果全球采用硅芯片器件的數據中心，都升級為使用氮化鎵功率芯片器件，那全球的數據中心將減少30-40% 的能源浪費，相當于節省了 100 兆瓦時太陽能和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層面的能源利用率的提高。當我們發現，制造一顆片氮化鎵功率芯片，可以在生產制造環節減少80% 化學物及能源損耗，此外還能再節省超過 50% 的包裝材料，那氮化鎵的環保優勢，將遠遠大于傳統慢速硅材料。

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生的副產品。因此鎵的提取和精煉，碳足跡非常低。

鎵每年產量超過 300 噸，預計全世界的存儲量超過 100 萬噸。由于鎵是一種加工副產品，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年預測了鎵的存在。1875年，德布瓦博德蘭（Paul-émile Lecoq de Boisbaudran）在巴黎被發現鎵，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60年代，制造氮化鎵單晶薄膜的技術才得以出現。作為一種化合物，氮化鎵的熔點超過1600℃，比硅高200℃。

1972年，基于氮化鎵材質的 LED 發光二極管才被發明出來（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出藍紫色光的LED。1991年，一種生產更高亮度的藍色LED的方法獲得了專利，兩年后，高亮度的藍色 LED 就誕生了。

高亮度的藍色LED商用，是電子行業的一個轉折點。通過添加熒光粉涂層，人類實現了有可能創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 “偏轉晶體管”屏幕產品的消亡。

因此，氮化鎵是我們在電視、手機、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。在光子學方面，氮化鎵還被用于藍光激光技術（最明顯的是用于藍光播放器的光盤激光頭）。

在光子學之外，雖然氮化鎵晶體管在1993年就發布了相關技術，但直到2004年左右，第一個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、高電壓的射頻基礎設施。幾年后，即2008年，氮化鎵金屬氧化物半導場效晶體（MOSFET）（在硅襯底上形成）得到推廣，但由于電路復雜和缺乏高頻生態系統組件，使用率較低。

納微半導體成立于2014年，使命是在廣泛的應用領域充分發揮氮化鎵功率芯片具備的寬禁帶器件的優勢，傳遞寬禁帶技術應用的廣闊可能性，實現電力電子領域的速度革命。2018年，納微半導體入選 EETimes 著名的 “Silicon 60 “創業公司榜單名單，2019年，Frost and Sullivan弗若斯特沙利文咨詢公司認可了納微半導體的獨特愿景，系統方案和和核心技術，認為納微有望催生并帶來基于氮化鎵的下一代電源系統。同年，納微半導體被授予上海張江895和張江科學城ICV先鋒聯盟 “創新之星”稱號，隨后在2020年，納微半導體同時獲得中國通信工業協會（CCIA）的 “半導體設計創新優秀獎”和“Aspencore年度杰出創新公司”獎。

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同樣是 2020 年，納微半導體宣布氮化鎵器件和應用的專利，已經超過100多項。

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

截止到2021年4月1日，納微半導體已經完成了1820萬片零故障氮化鎵功率芯片的出貨運輸。

如您需要查看最新的氮化鎵功率芯片出貨裝運和質量信息，請訪問我們的產品質量頁面。

氮化鎵的應用

長期以來，氮化鎵一直被用于 LED 和射頻元件的生產，但現在，不斷發展增長的電源開關和轉換應用市場中，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。

在手機和筆記本電腦中，你可以用基于氮化鎵的射頻器件，收發移動網絡和 WiFi 信號。而為這些設備充電的充電器，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品，價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據中心服務器之中。隨著數據中心流量的增加，硅傳輸能量的能力到達了“物理性質”的限制。最終，傳統的硅芯片，在功率芯片領域會被高速的氮化鎵功率芯片取而代之。

數據中心硬件的整合、新的 HVDC 高壓直流架構方法，以及大規模量產、高度集成的氮化鎵功率芯片，使充電效率得到了重大改善。據估計，如果全球采用硅器件的數據中心，都升級為氮化鎵器件，那全球的數據中心將減少30-40% 的能源浪費，相當于相當于節省了 100 兆瓦時太陽能和1.25 億噸二氧化碳排放量。因此，使用氮化鎵，代表著數據中心行業向“凈零排放”（Net-Zero）的目標，又邁出堅實的一步。

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在汽車行業，氮化鎵正成為新能源汽車領域中，電源轉換和電池充電的首選技術。基于氮化鎵的功率產品，也越來越多地出現在太陽能發電裝置采用的逆變器中，以及電機驅動和其他工業電源轉換的方案中。

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度，耗盡區窄短，從而可以開發出載流子濃度非常高的器件結構。例如，一個典型的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遠低于約300V/μm的禁帶寬度極限，這為未來的優化和改進，留下了巨大的空間。

在器件層面，根據實際情況而言，歸一化導通電阻（RDS（ON））和柵極電荷（QG）乘積得出的優值系數，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現了超低的電阻和電容，開關速度可提高一百倍。

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行。近年加入控制芯片之后，氮化鎵充電器的開關頻率，已經從 65-100kHz，提高到 1MHz 以上。新的控制器正在開發中。微控制器和數字信號處理器（DSP），也可以用來實現目前軟開關電路拓撲結構，而目前廣泛采用的、為1-2 MHz范圍優化的磁性材料，已經可被使用了。

氮化鎵功率芯片，在半橋拓撲結構中結合了頻率、密度和效率優勢。如有源鉗位反激式、圖騰柱PFC和LLC。隨著從硬開關拓撲結構到軟開關拓撲結構的改變，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，將成為第二次電力電子學革命的催化劑。

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）都比硅高10倍。

氮化鎵和碳化硅之間的核心區別在于“速度”，或者說“電子遷移率”。在2，000 /Vs時，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電壓的功率芯片應用之中，能有效降低生產成本和碳排放。而碳化硅有更高的導熱性，適用于需要大量散熱的更高功率場景。兩者的另一個主要區別電流；碳化硅具有“縱向結構”的特性，更適合高功率的應用；而納微半導體的氮化鎵具有“橫向結構”，使單片集成成為可能。橫向結構的氮化鎵芯片，集成了功率場效應管、驅動、邏輯、保護、傳感器和控制器。

氮化鎵功率芯片如何改善快充充電器設計？

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

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有關氮化鎵充電器和適配器的清單，請訪問GaNFast網站，按功率、品牌或尺寸搜索，并查看評測和購買氮化鎵快速充電器的鏈接。

什么是氮化鎵功率芯片？

通過SMT封裝，GaNFast? 氮化鎵功率芯片實現氮化鎵器件、驅動、控制和保護集成。這些GaNFast?功率芯片是一種易于使用的“數字輸入、電源輸出” （digital in， power out）模塊。由于閘極驅動器的阻抗基本為零，因此集成后可實現關斷時的零損耗。此外，可以根據具體的應用要求，定制和控制開啟性能。

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