氮化镓新技术让半导体的世界为之改变

为何氮化镓技术那么火?

小米10 Pro已经标配一颗65W功率的USB-C充电器(单买价格99元),同时小米还发布了旗下第一款采用GaN氮化镓材料的充电器,官方名称“小米GaN充电器Type-C 65W”,功率同样65W,但更加小巧。

GaN氮化镓是一种广为看好的新型半导体材料,具有超强的导热效率、耐高温和耐酸碱等优点,用在充电器中更是具有高效率低发热、高功率小体积的优点,充电功率转换也比传统充电器更具优势。

采用氮化镓材料后,小米充电器USB-C 65W的体积比小米笔记本标配的适配器缩小了48%,携带更方便,搭配小米10 Pro可提供最高50W充电功率,45分钟即可充入100%

第三代半导体

第三代半导体更适用于制造高频、高温、大功率的射频组件,正是5G通信领域急需的材料,市场空间比较大。

现在,在执行功率控制半导体(功率半导体,Power Semiconductor )的领域里,已经开始研发使用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)作为半导体材料而不是使用硅材料,并且取得了成果。

例如,铁路车辆方面,把原本采用硅制功率半导体的变流器更改为使用碳化硅的变流器,可以产生最大节能40%的划时代效果。

如果去半导体相关的展会的话,就可以看到应用碳化硅半导体技术、碳化硅功率半导体的实例。

在业界,正努力致力于开发碳化硅、氮化镓的半导体,而且应用在身边的实例越来越多,例如被日本山手线新型列车采用。

未来,这些新型半导体将在电动汽车(EV)、家用电器等市场普及,并且预计将促进节能环保及家用电器的小型化,前景可观。

以后将由碳化硅、氮化镓实现新型半导体开发成果。

氮化镓绝对高的性能

首先,氮化镓作为半导体具有极佳的性能。

作为半导体材料,碳化硅和氮化镓优于硅,因此实现了突破性的技能效果,但是,氧化镓的物理性质又“打败”了碳化硅和氮化镓。

通常用“Baliga性能指数”来表示半导体材料对硅的性能数值,硅是1,达到超过硅的节能效果的碳化硅为340,氮化镓为870。

相比之下,氮化镓的“Baliga性能指数”居然达到了870!它是硅的870倍!即使和已经达到卓越节能效果的碳化硅相比,也是它的大约2倍!氮化镓的卓越性能绝对是无可争议的!

如果是相同性能的元件,可以达到损耗小、绝对节能的效果,尺寸也可以做到极小。比方说,FLOSFIA已经成功开发了一种二极管,与碳化硅相比,其电阻降低了86%;从FLOSFIA网站上公布的尺寸比较来看,其面积几乎是硅的1/100。

然而,氮化镓也有其缺点,用氮化镓无法制造P型半导体。在半导体领域,存在故意缺乏电子的P型半导体和故意使电子空闲的N型半导体。

使用功率半导体的逆变器(Inverter)之类的功率电子设备(Power Electronics)都是由晶体管和二极管构成的。

用氮化镓二极管只可以制造N型“肖特基二极管”(Schottky Barrier Diode,缩写成SBD),晶体管却无论如何都需要P型和N型。

因此,业界认为用氮化镓仅仅可以制作“肖特基二极管”。当然,这样可以达到节能的效果,只是没有充分发挥氮化镓的全部性能。FLOSFIA通过使用氮化铱也成功制成了P型层,并做成了氮化镓晶体管。因此,为实现功率电子设备采用氮化镓,而做了技术上的准备。

突破技术封锁

氮化镓是一种新型超宽禁带半导体材料,将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

氮化镓可以用于aese雷达,哦对了,我国被美国制裁了半个多世纪了,去年又被重新制裁了一遍。

A:属于目前第三代半导体中性能最好的了。

B:能够制造更高功率的半导体元件,适合电动汽车 ,风力发电什么的,做相控阵会比其它第三代的强。

C:这是种新兴材料,具有很低的发热很高的抗电压很小的体积。

技术成熟后用在充电器,电池,雷达等领域都很好

近年来氮化镓技术的突破性进展,极大地推动了相关的薄膜外延、日盲探测器、功率器件、高亮度紫外LED等器件的研究,是国际上超宽禁带半导体领域的研究热点。国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项也于2018年发布了相关的研究指南“超宽禁带半导体材料与器件研究(基础研究类)”,也极大带动了国内相关科研机构的研究兴趣,近年来,我国科学工作者在氮化镓材料和器件研究方面取得了重要的进展。

国家对氮化镓材料的潜力、氮化镓材料及器件研制进展和面临的挑战特别对氮化镓这个重要新兴领域的未来发展前景进行了展望。

氮化镓材料及器件研制进展挑战及展望

氮化镓器件氮化镓衬底的低热导率。解决办法有两种:热传递自器件沟道往下到通过键合技术所得的高热导率金刚石或AlN衬底以及自沟道往上至器件钝化层顶部高热导率金属热沉。P型掺杂依然是一个巨大的挑战,但从器件角度来看可采用单极器件。其他挑战还包括研制出具有低缺陷密度高可靠的栅介质、更低阻值的欧姆接触、更有效的终端技术比如场版和金属环用来提高击穿电场、更低缺陷密度及更耐压的Ga2O3外延层以及更大更便宜的单晶衬底。在充分考虑并解决了不局限于上述问题,氮化镓功率器件的明天便会大放光彩,为高效能功率器件的选择提供新的方案。

氮化镓晶圆和氧化镓外延薄膜处于产业链的前端,影响着产业的发展。镓族科技从关键基础材料开始,从源头解决问题,避免由于禁运影响国内氮化镓材料相关的半导体行业的发展。

镓半导体这里面有个我听说过的故事:

话说在80年代,中国半导体集成电路相比美帝被甩开的不算太多。

然而有海龟给党国建议,不走硅材料,而是走镓材料路线。各种电性能天生比硅材料好很多。有机会实现弯道超车。于是就启动了举国之力去琢磨。结果发现,镓材料物理性质很难做大尺寸!

所以要用来作超大集成规模电路不可行。

等回到硅路线来的时候,美帝英特尔已经起飞了……

以上文字来自路边吹牛皮的说法。

再见,硅!你的下一代电脑芯片可能是由氮化镓制成的。

传统上来说,计算机芯片由硅制成,因为它是地球上最丰富的半导体。然而,我们目前的技术已经让硅达到了最小的极限。这促使人们寻找新的方法来减少计算机芯片占用的空间,根据今年早些时候发布的一项新研究,可能已经发现了新的替代方案。

由于其较大的带隙,氮化镓被视为硅的替代品。这种特性意味着氮化镓具有独特的高“临界场强度”和广泛的可导电性。所有这些特性使得氮化镓成为计算机芯片可扩展性的更好的未来候选者。虽然这个研究领域是新的,与硅晶体管相比,氮化镓晶体管更适合安装在芯片上,并可能提高未来高功率电子器件的效率。

氮化镓(GaN)这种宽带隙材料将引领射频功率器件新发展并将砷化镓(GaAs)和LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)器件变成昨日黄花?看到一些媒体 文章、研究论文、分析报告和企业宣传文档后你当然会这样认为,毕竟,GaN比一般材料有高10倍的功率密度,而且有更高的工作电压(减少了阻抗变换损 耗),更高的效率并且能够在高频高带宽下大功率射频输出,这就是GaN,无论是在硅基、碳化硅衬底甚至是金刚石衬底的每个应用都表现出色!帅呆了!

至少现在看是这样,让我们回顾下不同衬底风格的GaN:硅基、碳化硅(SiC)衬底或者金刚石衬底。

硅基氮化嫁:这种方法比另外两种良率都低,不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此,它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术,理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。


GaN赢在哪里?

下面列出GaN的几个突出优点:

1.有源相控阵(AESA)雷达和电子战(EW)系统:这些是碳化硅衬底氮化镓(或者是金刚石衬底)晶体管或者单片微波集成电路(MMIC)的关键应用,而且多年来已经成为这个领域的事实标准,因为当前或再过几年都没有其他技术可以可供碳化硅衬底氮化镓的功率密度和其他优势。

Ka波段砷化镓和碳化硅衬底氮化镓MMIC射频功率放大器,两者都由TriQuint制造。每个放大器在30GHz提供6W 射频功率,不过,氮化镓所需的有源器件更少,所以MMIC只需要一个简单的四路功率合成器。砷化镓MMIC放大器需要更多的器件而且电路更复杂,因为它必 须包含32路功率合成器,它影响了MMIC的最终尺寸。砷化镓MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小,而GaN 放大器则大约是生米粒大小。

氮化镓就像之前的砷化镓一样,在国防系统中将是至关重要的,主要用于但不限于AESA雷达和电子战以满足下一代需求。有几个非常大的项目在未来或多或少都依 赖它。因此,氮化镓MMIC在商业市场将激增并且国防承包商将开始部署它们。GaN在商业应用未来如无线基础设施一样绝对是前途一片光明,但进一步的接受 程度取决于其成本是否进一步降低。

简而言之,氮化镓现在才是刚刚发力,十年内其前途辉煌。整个发展故事值得好好读读,随着GaN所向披靡,那么砷化镓和LDMOS终将会成为历史。

“只要有电的地方就离不开氮化镓半导体”—这样的时代应该就在不远的将来。

特别彩蛋:亚光科技:叠加(卫星互联网)空天信息和芯片半导体的风口,加之军用+民用,5G通信的毫米波功率放大器已研制成功并小批量产;砷化镓/氮化镓射频芯片关键技术在芯片制造领域与三安光电 深度进行合作,打造完整的新型半导体射频芯片产业链。

亚光科技研究链接献上:链接点这里这里,买入还需正宗,挑选还需用心!

重点:射频氮化镓(GaN)功率放大器、及T/R组件是有源相控阵雷达系统中关键的零部件,这才是亚光科技公司军工业务的真正核心。千万不要把公司的游艇业务也当军工业务。随着网络基础设施如5G基站与反导雷达等领域都要求使用高性能高功率密度的射频器件,这使得市场对于射频氮化镓(GaN)器件的需求不断升温。

近日氮化镓概念股全线飘红,相关个股如下:海特高新、三安光电、乾照光电、云南锗业、南大光电、有研新材等等,买入还需正宗,挑选还需用心。以下这张表格给各位老板参考!(以下表格由投资侦探老师InspectorGadget提供)



$亚光科技(SZ300123)$ $海特高新(SZ002023)$ $三安光电(SH600703)$

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精彩评论

平凡的股票02-15 08:13

国内氮化镓制造只有:
1、002023海特高新(旗下海芯华芯有国内首条6寸氮化镓生产线已于2016年量产),
2、三安光电(三安集成第一条化合物6寸生产线18年投产),
3、士兰微(厦门士兰明镓第一条6寸氮化镓生产线19年10月投产)
4-300456耐威科技2019年11月在青岛开建6寸氮化镓制造生产线。

材料:
1、002255海陆重工10%参股的江苏能化微有国内首条氮化镓8寸单晶生产线
2、600206有妍新材(有妍光电拥有4寸氮化镓单晶线)
3、002428云南锗业(拥有制造氮化镓单晶必须的耗材)
4、300323华灿光电(拥有氮化镓单晶制造生产线)
5、300246南大光电(拥有氮化镓制造的耗材)
6、002008大族激光(拥有氮化镓单晶切割的设备)

氮化镓元器件:
一,600460士兰微~600703三安光电,两者都是研发设计制造销售一条龙IDM
二,300373杨杰,氮化镓碳化硅二极管~晶体管~mos(特斯拉的核心电驱,部分采用碳化硅mos,主要采用IGBT)。
三,603290斯达半导,新股,

活力飛而得02-15 08:30

特别彩蛋:蓝晓科技 中国70%以上的镓都靠他的树脂来提取,10%的盐湖锂靠他的技术和装置提取

侠肝义胆沈剑心02-15 10:45

谢谢你的提问,因为不在电脑面前,无法一次详尽回答那么多问题,我只能简单说一下gan是一种趋势,半导体行业是无法绕过去的,技术已经在走商业路线了,至于利润需要看你拿出去做什么,用在小米上百来元,用在卫星上百万元,一个是批量用,一个是高精尖。没有氮化镓的半导体是不完整的,也是赶超国外的必经之路。一个技术的推广类似tws耳机,你平常生活可以不用,但是厂商可以给你强制配套,我举个例子小米如果10分钟充满电,他就要用这个技术,以前的老技术是有瓶颈的,其他厂商能不跟进吗,不跟进人家小米用氮化镓10分钟充满,我的还是充电2小时?这个技术它不香吗?

财联社工号00802-15 08:07

A股氮化镓第一股闻泰科技居然没有

顺流逐波02-15 11:27

想多了,GaN是好,但是贵,充电头淘宝大概要150左右,小金属提取难度高成本高,短期大规模应用很难,而且从提取设备到终端全产业链面临换代,要考虑前进的阻力,就像中石化中石油不知道国内油品差么?不知道页岩油好吗?资产投入成本的对替代新技术的阻力是巨大的。现在为什么不加大电池里面钴的用量提高电池稳定性跟能量密度而要不断从其他途径来弥补一样。跟我们现在看miniled是一个道理,本身知道它是个过渡产品,但它能让原来LCD的投资继续发挥余热。我问的几个问题确实我不知道想搞清楚,但目前似乎华灿也搞GaN,似乎做LED芯片的都有介入这个GaN的能力,所以我关心的是提取设备跟工艺是不是类似,如果这样就好理解了。

全部评论

侠肝义胆沈剑心02-19 22:33

以后会更多

侠肝义胆沈剑心02-19 22:32

用起来的话 不算少

凤凰58802-19 21:51

镓这种金属,资源量太少了吧?

hyriod02-19 15:32

因为工作需要,用GaN芯片已经5年了,电科十三所,是用的最多的。

申肖克的救赎02-19 15:15

了解