中国半导体企业掌握氮化镓核心技术,挤进国际第一梯队

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所属分类:移动应用

氮化镓,分子式GaN,英文名称Gallium nitride,是一种氮(V)和镓(III)的III-V族化合物,直接带隙(Direct Bandgap)(直接跃迁型)的半导体材料,具有带隙宽(室温下,Eg=3.39eV)、原子键强、导热率高、化学性能稳定(几乎不被任何酸腐蚀)、抗辐照能力强、结构类似纤锌矿、硬度很高等特点。
中国半导体企业掌握氮化镓核心技术,挤进国际第一梯队 GaN被誉为继第一代Ge、Si半导体材料,第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

氮化镓相比传统硅基半导体,有着比硅基半导体出色的击穿能力,更高的电子密度和电子迁移率,还有更高的工作温度。这首先体现了低损耗和高开关频率,低损耗可降低导阻带来的发热,高开关频率可减小变压器和电容的体积,有助于减小充电器的体积和重量。同时GaN具有更小的Qg,可以很容易的提升频率,降低驱动损耗。

不过制造工艺上氮化镓和传统硅基半导体不同。氮化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)技术生长的。氮化镓与一般半导体材料的最大区别是禁带更宽。禁带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量,禁带越宽,对价电子的束缚越紧,使价电子摆脱束缚成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。

氮化镓应用风口

氮化镓的诞生,伴随着科技发展服务人类美好生活的使命而来。众多新技术、新应用、新市场,在氮化镓从实验室走向市场那一刻,注定吸引了全球眼球。这些新兴的市场就包括了5G、射频、快充等等,我们列举几个氮化镓目前即将大规模商用的领域与大家分享。

1、5G商用临近
中国半导体企业掌握氮化镓核心技术,挤进国际第一梯队 射频氮化镓技术是5G的绝配,基站功放使用氮化镓。氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的三五价半导体材料。与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LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高,这一点很重要,载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。

与硅或者其他三五价器件相比,氮化镓速度更快。GaN可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平,GaN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。射频电路中的一个关键组成是PA(Power Amplifier,功率放大器)。

从目前的应用上看,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GaAs PA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保持高集成度,于是GaN成为下一个热点。氮化镓作为一种宽禁带半导体,可承受更高的工作电压,意味着其功率密度及可工作温度更高,因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。

高通公司总裁 Cristiano Amon 在2018 高通 4G / 5G 峰会上表示:预计明年上半年和年底圣诞新年档期将会是两波 5G 手机上市潮,首批商用 5G 手机即将登场。据介绍,5G 技术预计将提供比目前的 4G 网络快 10 至 100 倍的速度,达到每秒千兆的级别,同时能够更为有效地降低延迟。

在5G的关键技术Massive MIMO应用中,基站收发信机上使用大数量(如32/64等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套,因此射频器件的数量将大为增加,器件的尺寸大小很关键,利用GaN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。同时在5G毫米波应用上,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。
中国半导体企业掌握氮化镓核心技术,挤进国际第一梯队 除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比3G、4G时代,5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加,因此成本的控制非常关键,而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势,随着硅基氮化镓技术的成熟,它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

2、消费类产品快充需求旺盛
随着电子产品的屏幕越来越大,充电器的功率也随之增大,尤其是对于大功率的快充充电器,使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。而GaN技术可以做到,因为它是目前全球最快的功率开关器件,并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平,能够应用于更小的元件,应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸,比如使目前的典型45W适配器设计可以采用25W或更小的外形设计。
中国半导体企业掌握氮化镓核心技术,挤进国际第一梯队 氮化镓充电器可谓吸引了全球眼球,高速高频高效让大功率USB PD充电器不再是魁梧砖块,小巧的体积一样可以实现大功率输出,比APPLE原厂30W充电器更小更轻便。

将内置氮化镓充电器与传统充电器并排放在一起看看,内置氮化镓充电器输出功率达到27W,APPLE USB-C充电器输出功率30W,两者功率相差不大,但体积上却是完全不同的级别,内置氮化镓充电器比苹果充电器体积小40%。

据 网不完全统计,截止2018年10月23日,市面上支持USB PD快充的手机达到52款,另有20款手机支持USB PD3.0(PPS)快充。以下是详细的手机型号列表:
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可以看到,几乎所有主流的手机厂商都已将USB PD快充协议纳入到了手机的充电配置。USB PD快充的手机已经多达52款型号和覆盖15个品牌,其中不乏苹果、华为、小米、三星等一线大厂品牌。

从各大手机厂商和芯片原厂的布局来看,USB PD快充将成为目前手机、游戏机、笔记本电脑等电子设备的首选充电方案,而USB Type-C也将成为下一个十年电子设备之间电力与数据传输的唯一接口,USB PD快充协议大一统的局面即将到来。

3、激光雷达让无人驾驶更安全
激光雷达(LiDAR)使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。氮化镓场效应晶体管相较MOSFET器件而言,开关速度快十倍,使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势,由于可实现优越的开关转换,因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。

在大力研发和推进自动化汽车普及过程中,汽车厂商和科技企业都在寻觅传感器和摄像头之间的最佳搭配组合,有效控制成本且可以大批量生产的前提下,最大限度的提升对周围环境的感知和视觉能力。
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氮化镓的传输速度明显更快,是目前激光雷达应用中硅元素的 100 甚至 1000 倍。这样的速度意味着拍摄照片的速度,照片的锐度以及精准度。

让我们描述道路前方的事物和变道的颜色预警。激光雷达能检测前方路段是否有障碍物存在。通过激光雷达你能够更全面地了解地形变化,一些你无法看到的地形。而单纯的使用摄像头或者雷达都无法胜任这项工作,因为两者各自身上都有短板和不足。

全球氮化镓知名企业

在5G商用、消费类电源快充普及、无人驾驶等领域,氮化镓已经拥有的广阔的应用空间。作为第三代半导体新技术,也是全球各国争相角逐的市场,目前市面上已经形成了多股氮化镓代表势力,其中第一梯队有英诺赛科、纳微、EPC等代表企业。其中英诺赛科是目前全球首家采用8英寸增强型硅氮化镓外延与芯片大规模量产的企业,也是跻身氮化镓产业第一梯队的国产半导体企业代表。

1、Innoscience英诺赛科
Innoscience 英诺赛科创办于2015年12月,是一家专注于第三代半导体硅基氮化镓研发与产业化的高新技术企业,目前在中国珠海和苏州拥有两个研发和产业化基地。英诺赛科团队人才汇聚,集合了国内外众多氮化镓领域的精英,并通过不断创新,在全世界范围内率先实现了8英寸硅基氮化镓量产工艺,并先后推出系列产品,产品各项性能均达到国际领先水平。
中国半导体企业掌握氮化镓核心技术,挤进国际第一梯队 英诺赛科采用IDM全产业链模式,成功在中国建立了一条涵盖研发、设计、生产、测试、销售、市场、技术支持等在内的完整的GaN产业链,有效提高了GaN晶圆工厂的制造能力,加速高性能氮化镓产品进入市场,为当前中国第三代半导体制造的领军企业。

2、Navitas纳微半导体公司
Navitas Semiconductor(纳微半导体公司)是世界上第一批GaN功率IC公司,于2013年在美国加利福尼亚州El Segundo成立。纳微拥有强大的功率半导体行业专家团队,此前在电力电子领域就取得了非常傲人的成绩。该公司累计获得200多项已发布的专利,专有的 AllGaN工艺设计套件将最高性能的GaN FET与逻辑和模拟电路单片集成,可为移动、消费、企业和新能源市场提供更小、更高能效和更低成本的电源。
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3、EPC宜普电源
宜普电源转换公司(EPC)于2007年11月由三位资深工程师共同创建,他们合共拥有六十年与先进功率管理技术相关的经验。宜普电源转换公司的首席执行官Alex Lidow是1970年代硅功率MOSFET的共同发明者。在国际整流器公司曾担任管理研发及制造职位外,期间更有长达十二年担任该公司的首席执行官。其后半导体技术的发展进程让宜普公司的所有创办人清楚知道硅技术已经达到它的性能极限及其发展步伐已经不可以像从前那样为业界推动创新、再创高峰。
中国半导体企业掌握氮化镓核心技术,挤进国际第一梯队 创建宜普电源转换公司是基于对氮化镓技术可以在电源转换领域替代硅技术的信念, 这是由于氮化镓技术具备无敌的速度、效率及低成本的优势。其实氮化镓技术是一种具备优越的晶体特性的使能技术,它可以实现的性能与硅技术相比较是1000 :1 的比值。

氮化镓市场前瞻
氮化镓器件有什么缺点呢?缺点就是太贵了!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,而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。而8英寸硅基氮化镓的商用化量产,可以大幅降低成本。第三代半导体的普及临近,也让我们有幸见证这一刻的到来。