GaN氮化鎵是什麼?有哪些應用?GaN氮化鎵的特色介紹 為什麼充電器會用到它?

2022.03.07 11:08AM

現代生活和科技緊密結合,然而隨著時代變遷,不僅是訊息的傳遞需求大幅增加,產品也開始追求更快的速度、更小的尺寸、以及更好的效率。近期,傳統的矽(Si)半導體則因為物理限制的關係,逐漸無法符合市場需求,於是第三代半導體氮化鎵(GaN,鎵音同家)因勢興起,開始應用在快速充電產品、電動車領域。到底氮化鎵(GaN)是什麼,物理特性有那些優勢,目前有哪些應用範圍,未來又會有怎麼樣的發展呢?本篇將依序解答。

GaN是什麼?有哪些特性和優勢?

目前半導體產業以矽(Si)的發展最為成熟,然而當代的科技產品逐漸轉向高頻率、高速度、輕量與小體積,導致Si半導體在物理特性上已經達到極限,很難再有所突破。氮化鎵(GaN)並非橫空出世,它早在1993年便開始應用於LED產業,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。

而在穩定性與耐高溫、耐高壓的優勢之外,GaN同樣擁有良好的導電性、導熱性。這些特性讓GaN被應用在變壓器和充電器的領域,使用GaN元件的充電器能夠同時應用在需要較大電壓的筆記型電腦、平板,也能夠同時用於較小電壓的手機和手錶充電。GaN的物理特性讓它就算在高電壓的情況下也不容易發熱,因此100W以上的快速充電模式也因應而生,能有效縮短充電的時間。

此外,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,因此GaN相較於Si更適合高頻率、高效率的電子產品,包括現代的5G市場。而在充電器商品上,較高的電子密度讓GaN能以更小的空間處理更多電力,進而達到縮小商品體積與輕量化的成果。

  • 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。

▲目前市面上已經出現許多GaN快充產品,不僅充電速度更快,而且體積更小、重量更輕。

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▲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

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▲因為物理特性的關係,第一代半導體Si逐漸不符合需求,因此市場轉向發展第三代半導體GaN和SiC。圖片來源:德州儀器

GaN目前有哪些應用?和碳化矽(SiC)的差異在哪裡?

第三代半導體包括GaN和SiC,GaN的優勢在於電壓40V至1200V的產品,目前主要應用於900V以下的領域,包括汽車、電信、特定的消費電子產品所需要的100V至900V電壓範圍。在工業方面,GaN也適合應用在射頻(RF)領域,和此有關的5G射頻設備、軍用雷達、光達Lidar也是其應用方向之一。

不過,雖然GaN和SiC同樣是第三代半導體,應用範圍有所重疊,但因為技術和優勢的關係,兩者的適用領域也會有所區隔。例如,相較於GaN以900V以下的應用為主,SiC將以1200V以上的更高電壓、更大電流為主要市場,例如高階的電動車、太陽能,還有大型建設例如離岸風電、公共運輸領域。因此消費者很難在充電器產品上看見SiC的使用。

照片中提到了GaN: An Expansive Market Opportunity、Navitas、GaN vs. SiC Comparison,包含了寬帶隙甘、寬帶隙半導體、帶隙、半導體、氮化鎵

▲GaN的應用範圍包括LED照明、5G基地台、充電器等。汽車產業位於GaN和SiC的應用邊界中,因為SiC在車載領域、可靠性上更具有優勢,因此部分車場會選擇使用SiC作為材料,例如特斯拉的電動車就是採用SiC元件。圖片來源:Navitas

▲在車用電子領域,GaN憑藉小尺寸、高功率與耐高溫的特性,能夠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。圖片來源:GaN Systems

▲在消費性電子產品上,近期各大充電器品牌紛紛以GaN商品為主打,GaN也帶來了充電器商品的革新。

GaN和SiC碰到的困難

早期因為GaN和傳統的半導體Si特性不同,開發初期遇到許多瓶頸,直到近期才應用GaN-on-Si基板大幅降低了製作成本,成熟的生態鏈也讓商品價格逐漸降低。不過,雖然目前第三代半導體的發展以GaN最為迅速,但仍然有其困境,例如GaN的損傷容易影響元件效果,且GaN-on-Si的「異質磊晶」技術讓GaN的品質仍然有所疑慮,因此GaN仍然以消費性電子產品為主,至於高階車廠會偏向選擇SiC元件,因為SiC在可靠性、更高電壓和散熱度上更具有優勢。

然而SiC的發展更是阻礙重重,SiC基板製造困難,對於設備和製程有極高的要求,且生長速度緩慢、晶體的瑕疵機率高。再加上SiC因為物理特性的緣故,加工不易,導致SiC的價格一直需高不下,就算應用層面受到看好,在現有的技術下也難以大量生產。

▲GaN企業如Navitas、Transphorm等皆與半導體代工廠結盟,逐步搶佔市場,至於SiC目前以IDM為主,從設計、製造、封裝測試到銷售一手包辦,品牌包括Infineon英飛凌、ST意法半導體、Rohm羅姆等。其中Infineon和ST都跨足GaN、SiC雙領域。圖片來源:Transphorm

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▲隨著GaN生態鏈的成熟,市面上有越來越多的GaN充電器產品可以選擇,價格也逐漸降低到一般使用者可負擔的範圍。圖片來源:SlimQ

GaN的未來發展

GaN應用領域包括微波射頻、電力電子產品,如前所述,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,未來或許能取代第二代半導體GaAs,成為更理想的微波頻率放大器,應用至相關產業如衛星通訊、有線電視、雷達等市場。

近期,GaN在汽車領域的發展也越來越熱絡,例如德州儀器(TI)於2020年底推出車用電晶體GaN FET,至於台積電也已宣布將與ST意法半導體合作,加速GaN製程技術的開發,希望能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。

最後,在消費性電子產品的領域,GaN充電器顯然成為了未來的趨勢,各大廠牌例如小米、Anker等都以GaN為高階充電器材料,搶攻GaN市場藍海。GaN具備溫度低、效率高、功率高的特色,將來消費者只需要1顆輕便的充電器就能夠替手上的所有裝置充電,並且不用擔心充電器過熱、充電速度過慢的問題。


▲雖然GaN充電器的款式越來越豐富,但目前因為GaN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。且因為GaN商品價格較高,在消費電子領域的普及還需要時間,至於在衛星等較無價格競爭的領域裡,GaN的影響力也正在逐步擴大。圖片來源:Navitas

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