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越来越重要的氮化镓

最新更新时间:2021-07-30
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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「华尔街日报」,谢谢。


大多数 LED 屏幕以及现在大量室内照明的 LED 灯中使用的都是金属镓。虽然它不像硅那样广为人知,但它正在接管硅曾经占据主导地位的许多领域——从天线到充电模块和其他被称为“电力电子”的能量转换系统。在此过程中,它实现了一系列令人惊讶的新技术,从更快充电的手机到更轻的电动汽车,再到运行我们使用的服务和应用程序的更节能的数据中心。

作为从岩石中提取铝的副产品,镓的熔化温度很低,以至于当您将其握在手中时,它会变成一种流动的银白色液体。就其本身而言,它并不是非常有用。

但如果将其与氮结合,制成氮化镓,它将变成具有宝贵特性的坚硬晶体。这种被称为第三代半导体的材料现在开始出现在许多自动驾驶汽车中使用的激光传感器、支持当今快速蜂窝无线网络的天线中,并且越来越多地出现在对提高可再生能源收集效率至关重要的电子产品中。

许多由氮化镓(也称为 GaN)制成的的东西正在电力电子领域发生变化。今天,您可以购买带有足够电量的小型 USB-C 充电器,它可以同时为您的笔记本电脑、手机和平板电脑供电,即使它们并不比我们的小工具多年来随附的功率低得多的版本大很多。

将一种电压电平转换为另一种电压电平的电力电子设备也是电动汽车许多方面的关键。芯片制造商 GaN Systems 的首席执行官 Jim Witham 表示,它们更小、更轻、更高效并且散发的热量更少,因此电动汽车充电后可以行驶更远。他补充说,这些产品也非常擅长从太阳能电池板等可再生能源中榨取更多的电力。在多次发生时,即使是很小的电力转换效率也会增加,例如在包括电池存储的可再生能源电网中。

GaN 可能是一种奇迹材料,但它面临着来自久经考验的真正硅和越来越多的新材料的竞争,这些新材料显示出彻底改变我们的电子产品的潜力。尽管如此,它的用途仍在扩大。GaN Systems 也有客户在数据中心测试其芯片,在那里降低功耗和废热可以转化为大量的电费节省。然而其数据中心客户均未公开承认使用该技术。

在开始的时候,GaN 还只是实验室的一种产物。然后五角大楼对其产生了兴趣,因为他们需要寻找新型电子设备来驱动下一代雷达和无线通信。剑桥大学材料科学教授兼氮化镓中心主任雷切尔奥利弗说,从 2000 年左右开始,国防部高级研究机构Darpa 的资助推动了克服氮化镓商业化的许多障碍所需的实验。

除了在民用领域的无数应用之外,GaN 现在还出现在军用硬件中,用于从无线电干扰到导弹防御的所有领域,这一切都得益于其独特的特性。

与硅相比,GaN 可以处理相对大量的电流。Oliver 博士说,它具有不同寻常的特性,既擅长移动电子,又擅长不让它们去你不希望它们去的地方,这使得它既有用又相对安全。

除了导电能力外,GaN 还能够在比硅高得多的频率下工作——在商业应用中快 30 到 500 倍——这使得充电器比传统充电器更小或提供更多功率。

随着我们的整个世界变得越来越电气化,从我们的能源到使用它的设备,任何能更有效地执行将电力从一种形式转换为另一种形式的关键但容易忽视的功能的东西都有可能成为两者无处不在,是巨大的收入来源。这就是为什么这个领域有数十家初创公司和成熟公司的原因,包括 Navitas Semiconductor、GaN Systems、Power Integrations、德州仪器、英飞凌和意法半导体。

然而,GaN 电力电子市场仍处于起步阶段。Gartner 研究副总裁 George Brocklehurst 表示,2019 年,所有晶体管的整个市场约为 160 亿美元,而 Navitas、GaN Systems 和其他公司提供的晶体管市场为 4500 万美元。

还有其他潜在的革命性材料开始与硅竞争,例如石墨烯,但 GaN 微芯片具有相当大的优势,它们可以在制造传统微芯片的同类制造设施(称为晶圆厂)中生产,Navitas 的市场营销负责人斯蒂芬奥利弗说。

因为它们不需要最先进的芯片制造技术,所以 GaN 芯片可以在旧的、折旧完的晶圆厂生产,否则这些晶圆厂可能会闲置。Oliver 先生说,一个幸运的副作用是 GaN 芯片供应没有赶上更广泛的全球半导体短缺。Navitas 的芯片目前在仍由台湾芯片制造巨头台积电运营的最古老的晶圆厂制造。

GaN 的采用率现在变得如此普遍,以至于价格正在迅速下降。这就是为什么您现在可以以 20 到 70 美元的价格购买 GaN 充电器,它在各方面都比您的小工具随附的充电器要好。

GaN Systems 等公司正在将该技术推向其他领域。宝马 和丰田都是他们的投资者。2019 年,丰田展示了一款原型车,该车采用完全基于 GaN 的电力电子设备,从汽车的车载充电器到 LED 灯。

但是,GaN 芯片不是灌篮高手。材料科学的进步产生了少数竞争对手。Gartner 的 Brocklehurst 先生说,传统的硅功率电子器件在大多数应用中仍然占主导地位,而在汽车领域,碳化硅是一种与 GaN 具有许多相同特性的替代品,有着更长的记录。

一系列有前途但不太了解的物质可以让前面提到的所有物质都物有所值,包括氧化镓和氧化铝。Oliver 博士说,两者都是可以图案化成微芯片的半导体。

材料革命尚未发生的地方是最大的半导体市场:为我们的计算机供电的处理器。直到最近,Oliver 博士说,GaN 只能做传统硅晶体管能做的一半的事情。

到目前为止,GaN 无法处理运行由传统硅逻辑芯片执行的计算所需的电流。但最近的研究结果表明,这种情况可能正在发生变化。

“如果几年前你问我是否会在逻辑上看到 GaN,我会说:'哦,别傻了,'”她说。“但现在这是可能的,它可能会让更快的设备成为可能。”


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