为什么选择GaN

氮化镓(GaN)属于第三代半导体,又被称为宽禁带半导体,和第一代的硅(Si)以及第二代的砷化镓(GaAs)等前辈相比,其在特性上有突出的优势:由于禁带宽度大、导热率高,氮化镓器件可在200°C以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高;较大的禁带宽度和绝缘破坏电场,使得器件导通电阻减少,有利与提升器件整体的能效;电子饱和速度快,以及较高的载流子迁移率,可让器件高速地工作。因此,利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件。

1.     GaN在电力电子领域的应用

我们生活在一个数据和能源驱动的时代,无论是大到工业电机、电动汽车、数据中心还是小到人们日常经常使用的消费类电子产品都依赖充足的电力的支持。这些行业长期以来都面临着能源转换效率低的难题。

旧的硅时代已经达到了它的极限,氮化镓技术成为当今和未来无可争议的“英雄”,它正在引领着一场短期乃至长远的新的产业变革。它带给设计工程师无尽的可能:

a)      电力转化损失减少至少25%

b)      尺寸减小至少25%

c)      重量减小至少25%

d)      价格比硅基方案更便宜

e)      效率比硅基方案更高

目前,氮化镓在电子电力领域已经拥有了足够广阔的应用空间。但回顾前两代半导体的演进发展过程,任何一代半导体技术从实验室走向市场,都面临商用化的挑战。目前氮化镓也处于这一阶段,成本将会随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程革新等,而走向平民化,而最终市场也将会取代传统的硅基功率器件。

 

2.     GaN在射频方面的应用

目前砷化镓(GaAs)依旧是射频应用比如sub6GHz中常用的半导体材料,其他如磷化铟(InP),LDMOS和碳化硅(SiC),也在高频应用中占有一席之地。但是对比砷化镓和磷化铟等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。

另外最重要的,与硅或者其他器件相比,氮化镓可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平,氮化镓具有体积小的优势。有了更小的器件,就可以减小器件电容,从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。同时氮化镓电路的集成度更高,目前,射频功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器(CMOS PA)组成,其中又以砷化镓功率放大器为主流,但随着5G的到来,砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下的高集成度要求,而利用氮化镓的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。

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