初原載于?工大材料匯????2020-03-10

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“多個愿望一次滿足”

——氮化鎵（GaN）

寫在最前

隨著電子產(chǎn)品的輕量化，“便攜”這個關(guān)鍵詞越發(fā)的重要了。有時候不僅僅是產(chǎn)品本身的便攜，也指其配件的便捷性。

? ? 拿筆記本電腦舉個例子吧：很多的輕薄本標(biāo)配了65w的電源適配器。已經(jīng)不需要兩端線材和中間的一個大大的“黑盒子”了。僅僅是比手機(jī)旅行充電器稍大的尺寸的電源，便可以支持電腦的工作。這讓很多標(biāo)配著130w適配器的電腦用戶很羨慕。畢竟，電腦越來越輕，適配器的重量卻依然很重，背著還是很沉。

但是，這樣的尺寸還是不滿足于用戶的需求。因為，坦誠的講，它還是有些大了，方方正正的，放在背包里并不是那樣的方便。（雖然相比于130w的適配器已經(jīng)好很多了）

? ? ?所以，又有了一種新的款式——“口紅充電器”。如下圖所示：

一支口紅的尺寸（官方數(shù)據(jù)：長x寬x高：30x35x73mm）便能實現(xiàn)之前更大的體量下才能完成的工作。便攜得到了滿足。只是價格偏高……

那么，問題來了：

? ? 市場上的需求是這樣：又要體積小，又能輸出功率大，還能解決發(fā)熱量的問題以保證安全，最好還能便宜點。

? ? ?Emm…

BUT!!!

2月13日，小米發(fā)布會上，發(fā)布了一款GaN充電器。雖然這并不是第一款GaN充電器了，但是仿佛是從這之后“氮化鎵”火了起來。

官方給出的尺寸大小長寬高為30.8 x 30.8 x 56.3mm，并且在宣傳語中指出了“小巧、高效、發(fā)熱低”的這些特性，三個愿望一次滿足！

這些聽上去就很厲害的功能還是要從氮化鎵這種材料說起。

氮化鎵，分子式GaN，英文名稱Gallium nitride，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中。

? ? GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護(hù)材料。

GaN的電學(xué)特性是影響器件功能的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為4×10^16/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補(bǔ)償?shù)摹?/p>

? ? ?很多研究小組都從事過這方面的研究工作，其中，中村報道了GaN最高遷移率數(shù)據(jù)在室溫下為μn=600cm^2/v·s在和液氮溫度下為μn=1500cm^2/v·s，相應(yīng)的載流子濃度為n=4×10^16/cm^3和n=8×10^15/cm^3。

? ? ? 近年報道的MOCVD沉積GaN層的電子濃度數(shù)值為4 ×10^16/cm^3、<10^16/cm^3；等離子激活MBE的結(jié)果為8×10^3/cm^3、<10^17/cm^3。

氮化鎵作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，它能夠讓功率器件在更高的電壓、頻率和溫度下運(yùn)行。在電源管理應(yīng)用上，氮化鎵的優(yōu)勢包括：

1、傳導(dǎo)損耗小，能效高。氮化鎵晶體管的導(dǎo)通電阻（Rds, on）是傳統(tǒng)硅器件的一半，在相同的輸出電流下?lián)p耗更小，能效更高。低損耗的同時意味著低發(fā)熱，從而可以有效地簡化散熱器件和熱管理系統(tǒng)設(shè)計。

2、氮化鎵晶體管內(nèi)不含二極管，沒有反向恢復(fù)損耗。

3、氮化鎵晶體管的輸入電荷非常小，幾乎沒有柵極驅(qū)動損耗。

4、氮化鎵功率器件可以支持更高的開關(guān)頻率（GaN: 1MHz, Si:<100KHz），從而減小無源器件的體積。

5、氮化鎵器件的功率密度很大，在減小體積的同時可以增大輸出功率。

?細(xì)心的你一定發(fā)現(xiàn)了，上面提到的都是“氮化鎵晶體管”的特點和優(yōu)勢，那么和充電器有什么關(guān)系呢？

? ? ?充電器主要的工作原理是變壓器，但同時也需要對輸入和輸出的電流進(jìn)行控制，氮化鎵晶體管的用武之地就在于此。

氮化鎵與我們

仿佛是在小米發(fā)布會之后，氮化鎵突然就火起來了一樣，實際上2014年的諾貝爾諾貝爾物理學(xué)獎（藍(lán)色發(fā)光二極管）便是基于GaN開發(fā)得到的。學(xué)界對GaN的重視，其實也不是一天兩天的故事了。

? ? ?所以，氮化鎵之于廠商，之于我們意義何在。

? ? ?首先對于我們每一個個人或者說消費者，能夠使用到性能更加優(yōu)異的產(chǎn)品，體驗到科技發(fā)展帶給我們生活的改變，體會著新材料作為社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)的重要作用。

? ? ? 對于廠商來說：”目前氮化鎵增裝最快的要數(shù)快充市場。隨著手機(jī)電池容量不斷增加，大功率的快充變得越來越重要，而傳統(tǒng)硅材料受限于體積以及功率密度的極限，無法滿足市場需要，氮化鎵通過自身的又是迅速吸引了市場。但是，目前中國氮化鎵功率應(yīng)用市場還處于起步階段，市場對于氮化鎵的認(rèn)識還不夠，并且氮化鎵自身的成本還太高。但隨著硅基氮化鎵成本的降低以及可靠性的大幅提高，采用氮化鎵材料的快充充電器必將成為行業(yè)主流。

? ? ?同時，氮化鎵在大功率市場的需求也非常巨大，尤其在５Ｇ基站供電模塊，以及新能源汽車車載充電（ＯＢＣ）領(lǐng)域，國內(nèi)和國際廠商都將目光瞄準(zhǔn)了這些市場。隨著汽車的電動化，ＧａＮ在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景特別值得期待。中國是世界上最大的電動汽車市場之一，這也將促進(jìn)氮化鎵器件在中國市場的應(yīng)用發(fā)展。”

? ? 同時，對于中國廠商而言，氮化鎵也是一個“彎道超車”的機(jī)遇。

第一代半導(dǎo)體的“硅”（主要解決數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲）、二代半導(dǎo)體的“砷化鎵”（光纖通訊），全世界研發(fā)起點都比較早，但我國沒有享受到研發(fā)紅利。

? ? ?在2016年科技部的“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點專項，其中就明確要求：實現(xiàn)以自主可控的氮化鎵基射頻器件和電路成套技術(shù)，推動我國第三代半導(dǎo)體在射頻功率領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

? ? ?氮化鎵，看起來距離我們很遠(yuǎn)，但是已經(jīng)有廠商優(yōu)化自己的產(chǎn)品讓價格降到一個相對能夠被更多的人接受的區(qū)間之內(nèi)。類似的，有著更多的材料等待著我們?nèi)パ芯?，去探索，正所謂“天生我材，鑄就未來”。

Q&A Time

? ? ? ?本期的材料視角就到這里了，下面是喜聞樂見的問答時間:

Q1:

氮化鎵與傳統(tǒng)材料相比，其優(yōu)勢體現(xiàn)在那里？

氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中。因為其硬度高，所以是一種良好的涂層保護(hù)材料。氮化鎵作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，它能夠讓功率器件在更高的電壓、頻率和溫度下運(yùn)行。在電源管理應(yīng)用上，氮化鎵的優(yōu)勢包括：1、傳導(dǎo)損耗小，能效高。2、氮化鎵晶體管內(nèi)不含二極管，沒有反向恢復(fù)損耗。3、氮化鎵晶體管的輸入電荷非常小，幾乎沒有柵極驅(qū)動損耗。4、氮化鎵功率器件可以支持更高的開關(guān)頻率（GaN: 1MHz, Si:&lt;100KHz），從而減小無源器件的體積。5、氮化鎵器件的功率密度很大，在減小體積的同時可以增大輸出功率。?

Q2

你還知道哪些可以用在高功率原件中的半導(dǎo)體材料呢？

精選留言：

砷化鎵、磷化銦、碳化硅、氧化鋅等

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?--------Вперед, товарищи

參考文獻(xiàn)：

【1】《氮化鎵_GaN_5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素》【J】.半導(dǎo)體信息 ?本文下載自中國知網(wǎng)

【2】《OPPO首發(fā)，小米、華為跟進(jìn)：氮化鎵技術(shù)成旗艦手機(jī)標(biāo)配？》 原文發(fā)布者：雷科技 原文鏈接：http://baijiahao.baidu.com/s?id=1659694834254107924 ?

【3】氮化鎵_百度百科詞條??

https://baike.baidu.com/item/%E6%B0%AE%E5%8C%96%E9%95%93/1650059?fr=aladdin?

【4】圖片來源：

1.ThinkPad聯(lián)想type-c 手機(jī)平板筆記本適配器X280T480E480L480S2適用_京東：https://item.jd.com/39733444883.html ?

2.聯(lián)想Thinkplus口紅電源 Type-C/筆記本適配器_京東：https://item.jd.com/39760508796.html ?

3.小米GaN充電器 Type-C 65w__小米商城：https://item.mi.com/product/11543.html?cfrom=search&selected=1200300013&pClass=c ?

4. 其余圖片來自網(wǎng)絡(luò)

本文作者：馬浩然

時任審閱：于世龍? 劉孟茜

時任編輯：馬浩然

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