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华为小米都在追赶的半导体材料“风口”:氮化镓何以成为行业新宠?

半导体

最近几年,手机职业的“军备比赛”日益剧烈,每家厂商都在不断加大研制力度,期望自家产品能在功能上尽或许长期地压倒对手,顾客简直每隔几个月就能在新手机上看到全新的技能运用或是旧功用得到改造。

在许多技能之中,充电技能是这场比赛的中心“军备”。从华为的40W快充开端,小米、OPPO、vivo等厂商连续推出44W、55W、65W甚至最近的125W快充,用户的日子方式逐步改动。不再需要向曩昔那样整晚给充电,每天只需洗漱时充电一小会,就能满意大半天的运用,日子方便了许多。

但与此一起,跟着充电功率的上升,里边的散热组件及滤波、稳妥、电容等器材越来越多,充电器的体积也越来越大。曩昔能够揣在口袋里的充电头,在65W快充到来的年代,现已有了向砖头挨近的趋势。

在未来,阻止快充遍及的或许不再是充电发热、自燃之类的安全危险,而是充电头巨大的体积和沉甸甸的分量。充电技能开展遇到了时间短的瓶颈。

不过,这个瓶颈很快被打破了。

风口上的氮化镓

上一年8月份,爱否联合倍思发布了国内商场第1款65W氮化镓充电器,它的体积只要其他厂商65W充电器的一半左右,登时引发了重视。自此,“氮化镓(GaN)”一词开端成为了数码圈的热词。很快,OPPO跟进推出自家的65W氮化镓充电器,许多第三方厂商也推出相应产品。

本年1月,小米也推出这一产品。经过有巨大网络影响力的雷军竭尽全力地宣扬,氮化镓的热度再度提高。

接着,华为在基站中弃用美国芯片,转而运用“备胎”氮化镓射频PA的音讯传出,更是让这种新贵资料的热门不再限于充电器职业。人们对整个氮化镓半导体职业的重视都开端上升。

事实上,说氮化镓资料是“新贵”不太恰当,事实上,早在30年前,这种资料就现已被用在半导体上。但因为种种原因,它在曩昔并没得到广泛运用,大多数人对其也是知之甚少。

简略说,半导体职业开展近百年,现现已历了3代半导体晶圆资料的改造。第1代半导体是锗和硅;第2代半导体以砷化镓、磷化铟为代表;氮化镓则归于第3代半导体资料,与其同类的还有碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等。

其间,氮化镓和碳化硅是现在研讨最为炽热的第3代半导体资料,被称为第3代半导体的“双子星”。

那么,比起第1代和第2代半导体,第3代半导体的前进在哪里呢?第3代半导体又称作“宽禁带半导体”,望文生义,其间心优势就在“宽禁带”上。

中心优势——禁带

先简略科普一下“禁带”的概念。

初中化学内容:一个物体能否导电以及导电才能强不强,取决于其能否发生自在活动的电子以及发生自在电子的才能。金属类元素的原子核对外层电子的捆绑才能较弱,因而表现为良导体;非金属元素原子核关于外层电子捆绑才能强,因而外层电子不能自在活动,成为了绝缘体。

而半导体在二者之间——它自身不导电,但是在必定的状况下,比方掺进杂质后,就能够导电。

在固体中,原子外的电子会分红不同能级,当原子间相互作用导致能级移动时,就发生了一组不同很小的能级,也便是能带。其间,电子从最低能级开端顺次向上填充,被填满的能带称为满带,满带中能量最高的一条称为价带。因为现已挤满了电子,能够以为价带中的电子是不导电的。

从价带持续往上,便是没有被填满的能带,因为这个能带简直是空的,所以电子能够自在移动,这个能带便是导带。在导带和价带之间的便是禁带。换句话说,禁带便是电子从价带“打破”到导带所需的能量。

简略打个比方,满带就像半导体内一条挤满电子的公路A,导带则是周围是一条空荡荡的公路B,禁带是公路A和公路B之间的沟,价带则是公路A上最靠近公路B的车道。

假如沟太宽,电子没办法从公路A跳到公路B上去,交通便堕入完全瘫痪,这便是绝缘体;假如沟很窄,电子很简单走上公路B,交通就会马上顺利起来,这便是金属。半导体便是在公路A和公路B之间搭了一座升降桥,完成电子可控地移动。

从这儿咱们能够知道,半导体的禁带不能太窄,不然只需很小的能量就能让一切电子自在移动。半导体就变成了导体,上面的电流不再可控。

更要害的是,这种状况是不可逆的,一切电子成为自在电子后,化学键就决裂了,资料自身发生了变性。一旦化学键决裂,就会和环境中的其他原子,例如氧,构成新的化学键,就不再是晶体了。

反过来,禁带宽的优点有许多。比方和前面说的相反,禁带越宽,意味着这个资料自身越难成为导体,能够接受的电压也就越高,用它制作半导体器材也就能接受更高的功率和温度。

然后,相关于本来的硅器材,相同电压等级下,宽禁带半导体的die(从晶圆上切割下的芯片)能够做得更小,然后让搅扰半导体元件功能的寄生参数更小,发热更小。寄生参数小则带来导通速度快、反向恢复电流小、开关损耗小、接受温度高级优势。

从详细目标上能够看出,第3代半导体简直全面抢先硅和砷化镓:

目标

从4000万到20亿美金的商场

在氮化镓和碳化硅中,碳化硅热导率较高,使得其在高功率运用中占有控制位置;因为氮化镓具有更高的电子迁移率,具有更高的开关速度,在高频率运用范畴,氮化镓具有优势。

本年4月20日,国家发改委宣告“新基建”的规划,第3代半导体赫然在列。

在第3代半导体中,碳化硅相对氮化镓开展更早一些,技能老练度也更高一些,其优势在高温文1200V以上的大电力范畴,包含电力、高铁、电动车、工业电机等。不过,近年来氮化镓合适的高频小电力范畴,例如通讯基站、毫米波等工业开端鼓起,碳化硅未来商场广阔。

当然,在顾客范畴,和氮化镓耐高压、高温、大电流特性最匹配的,无疑便是用在快充上了。其功率密度更大,因而功率密度/面积远超硅基,此外因为运用氮化镓芯片后还减少了周边的其他元件的运用,电容,电感,线圈等被迫件比硅基计划少的多,进一步缩小的体积。

小米1月发布的65W快充,尺度仅为56.3mm x 30.8mm x 30.8mm,体积比小米笔记本标配的65W适配器小了约48%,约为苹果61W快充充电器的三分之一。

从整体工业格式看,氮化镓工业链和传统半导体工业相似,包含单晶衬底制作→氮化镓资料外延→氮化镓器材规划→氮化镓器材制作这4个环节。各环节相关企业来看,基本以欧美企业为主,中国企业现已有所进入。

氮化镓器材首要分红射频器材和功率器材以及光电器材三大方面。氮化镓光电器材现已是老练商场,规划也不大,为了这个范畴的开展将首要会集在射频器材和功率器材上。

依据Yole的计算,2018年,氮化镓功率和射频相加只是4000万美金的商场规划,但业界以为,跟着5G基站的建造高潮,轿车电子、激光雷达以及消费电子的快速增加,无论是功率范畴仍是射频范畴,氮化镓器材商场未来都会呈现较大增加。

Yole猜测,氮化镓射频器材商场估计到2024年生长至20亿美元;一起,氮化镓功率器材商场规划估计到2022年将增加到4.6亿美元。

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