氮化鎵(GaN)是什麼?氮化鎵的應用、特色簡介、高功率快充跟5G都能看到它

2020.05.04 04:52PM
6267

5G時代來臨,為了應付新一代網路與應用服務的需求,半導體產業將目標轉向發展氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等第三代半導體材料。2020年初,台積電宣布將與半導體廠商意法合作,加速GaN製程技術的開發,希望能夠發揮GaN的優勢,在消費性電子產品之外也開始發展如汽車電氣化等未來趨勢。到底氮化鎵GaN是什麼,有那些優勢,又和5G有什麼樣的關係呢?本篇將一一解答。

GaN早期應用於LED領域 與SiC同屬於第三代半導體材料

目前半導體產業以矽(Si)的發展最為成熟,然而隨著時代變遷,不僅是訊息的傳遞需求大幅增加,還追求更快的速度、更小的尺寸,導致傳統的矽基半導體因為物理性質的限制,逐漸無法符合需求。GaN並非橫空出世,它早在1993年便開始應用於LED產業,目前在LED領域的應用中已相當成熟。GaN的穩定性高,熔點高達1700度,相較於Si,能夠忍耐更高的溫度與電壓。

  • 第一代半導體:如Si,應用於資訊、微電子產業
  • 第二代半導體:如GaAs(砷化鎵),應用於通訊、照明產業
  • 第三代半導體:如GaN、SiC等

照片中提到了Pout [W]、10M、Sic,包含了寬帶隙半導體、半導體、寬帶隙半導體、氮化鎵、帶隙

▲目前半導體材料中以傳統的Si產業最為成熟,不過在更高功率、更高頻率範圍的表現仍不如第三代半導體GaN和SiC。其中SiC在更高壓與大功率上具有優勢,因此在車用市場、充電樁、馬達驅動等領域受到看好。(圖片來源:infineon)

高穩定、高頻率、低功耗、小尺寸特性適合5G市場

在穩定性與耐高溫、耐高壓之外,GaN同樣擁有良好的導電性、導熱性,因此在技術容許之後,能夠有效減少尺寸,進而縮小GaN相關產品的大小。另外,相較於矽基元件,GaN擁有更高的電子密度和電子速度,元件的切換速度是矽基元件的10倍以上,這讓GaN格外適合高頻率、高效率的電子產品。

GaN適合電壓40V至1200V的應用產品,尤其是汽車、工業、電信、特定的消費電子產品所需要的100V至600V電壓範圍,GaN正好能夠發揮最大的優勢。正因為如此,當5G追求高速度、低延遲,以及小型基地站時,擁有一定發展基礎的GaN取代了第二代半導體GaAs,成為新的趨勢。

照片中提到了GaN Advantages、AR、Smaller,包含了圖、牌、產品設計、商標、角度

▲GaN的優勢。5G建設追求快速低延遲,以「微波射頻」為主要方向,無論是Sub-6頻段還是mmWave毫米波,都需要大量的微型天線與基地台。GaN元件的小尺寸、高頻率、高功率特性,正符合需求。(圖片來源:Qorvo)

照片中提到了GaN Enabling Monolithic Front-End Solution for 5G、Higher Power Density > Small Size > Miniaturization & Easy Integration、0.15 mm PHEMT,包含了圖、半導體、氮化鎵、集成電路、高電子遷移率晶體管

▲無論是基地台天線還是手機內部,相較於上一代半導體GaAs,GaN元件都更能夠有效節省空間,並且在功耗控制上擁有良好的表現。(圖片來源:Qorvo)

GaN應用領域包括微波射頻、電力電子產品

如上所述,GaN的高頻率、高功率、低功耗的特點,讓它能夠使用在5G的小型基地站。不僅如此,相關產業如衛星通訊、有線電視、雷達等市場,GaN也很有可能取代GaAs,成為更理想的微波頻率放大器。

至於生活相關的部分,包括快速充電用品,以及車用電子產品、電動車領域,GaN都能夠憑藉小尺寸、高功率與耐高溫的特性,減少產品重量並且提高效能,讓產品擁有更高的續航力,以及更快的啟動速度。舉例來說,GaN技術能夠減輕汽車的重量,提升電動車的續航力,而台積電與意法半導體的合作便是希望能夠透過GaN的電路技術,帶動汽車電氣化。

照片中提到了create,包含了電子產品、電子產品、電腦、USB集線器、USB

▲GaN的穩定性、良好的發電功率讓它也被應用在電池產業上。不少以GaN作為原料的充電器支援PD快充,同時支援電腦與手機充電,能有效減少充電器的重量與體積。圖為j5create的USB-C PD Charger with GaN。

▲GaN的應用範圍包括衛星、雷達、電視通訊等等,未來也能夠透過低延遲的訊號,應用於自動駕駛。(圖片來源:Qorvo)

GaN產品價格偏高 技術仍有待突破

雖然已經有不少GaN產品問世,然而因為GaN商品的製程尚未完全成熟,仍然無法立刻取代傳統的矽基半導體。又因為GaN商品價格較高,目前在如手機、充電器等消費電子領域的普及還需要時間,反而是衛星等較無價格競爭的領域中,GaN的影響力正在逐步擴大。

目前除了單純的GaN元件之外,電力電子的GaN-on-Si技術、微波射頻領域的GaN-on-SiC技術也正在蓬勃發展。5G世代讓科技有了更多的應用,在各家企業搶攻5G市場的同時,GaN技術肯定也會成為競爭之一。

資料來源

回應 0

0 則回應