日本的信越化学工业和OKI公司近期宣布，他们已经开发出一种能够以低成本制造使用氮化镓（GaN）的功率半导体材料的技术。据称，该技术的制造成本可以降低到传统制法的十分之一以下，如果能够实现量产，将对许多领域产生深远影响。

氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有高热稳定性、高电子迁移率和高击穿场强等特点，因此被广泛应用于快充充电器、电力电子、光电子和微波射频等领域。然而，由于氮化镓的生长条件苛刻，制造成本高昂，限制了其在许多应用中的普及。

这次日本的新技术突破了这一难题。通过在特有的基板上喷镓系气体，使晶体生长，然后将晶体放在其他基板上作为功率半导体的晶圆使用，大大降低了制造成本。这一突破将对全球半导体产业，特别是功率半导体市场产生重大影响。

该技术将推动氮化镓功率半导体的普及。由于成本的大幅降低，更多的电子产品可以使用氮化镓功率半导体，从而提高产品的性能和效率。这将使消费者享受到更快速、更高效、更便捷的电子产品，同时也将推动整个电子产业的发展。

该技术将增强日本在全球半导体市场的竞争力。日本一直以来都是半导体技术的领先者，而这次的技术突破将进一步巩固其地位。如果能够实现大规模生产，日本的氮化镓半导体产品将具有更强的市场竞争力，从而获得更高的市场份额。

该技术还将推动全球半导体产业的技术进步。随着氮化镓功率半导体的普及，更多的科研机构和企业将会投入研究和开发，推动氮化镓半导体技术的进步和发展。这将为全球半导体产业注入新的活力，推动整个产业的发展。


雷军、英特尔为GaN"带货"

红米300W GaN快充，刷新手机快充记录

2月28日，雷军公众号公开了一款名为“300瓦神仙秒充”的GaN充电器，5分钟充满100%电，刷新手机快充记录。

据悉，该快充基于Redmi Note 12探索版魔改而来，采用了定制的6:2电荷泵芯片，芯片最高转换效率高达98%，多颗电荷泵并联后直接给电池充电，实现了300瓦超大功率。

此外，它还搭载了第四代GaN集成化方案，功率高、体积小、发热低，效率也更高。在功率大涨43%的情况下，其体积与小米上一代210瓦充电器完全相同，功率密度达到2.31W/cm³。

英特尔引入GaN，效率达98%

2月23日，据英特尔官方消息，他们举办了主题为“携手生态伙伴分享高能低碳新理念，共同打造绿色商用电脑”的新品发布会。值得一提的是，英特尔在供电设计上引入了氮化镓技术，效率高达 98% 以上。

据悉，英特尔与包括清华同方、宏碁在内的 PC 产业合作伙伴共同推出了绿色商用电脑产品，多方合作开发出基于氮化镓材料的全新电脑电源，不但体积比传统电源缩小多达90％，对于小机箱更加友好，还能进一步达到80Plus钛金标准，转换效率超过98％，在供电过程中几乎不产生额外的浪费。

“后来者居上”的第三代半导体材料氮化镓

众所周知，第一代半导体材料代表是硅，主要解决数据运算、存储的问题；第二代半导体材料以砷化镓为代表，它被应用到于光纤通讯，主要解决数据传输的问题；而第三代半导体，除了碳化硅，就是近几年声名鹊起，后来者居上的“氮化镓”了。

氮化镓作为第三代半导体材料的前沿代表，与前代半导体材料相比，多项指标有显著提升。氮化镓是氮和镓的化合物，需要由人工合成，结构类似纤锌矿。

从特性上来看，作为时下新兴的半导体工艺技术，氮化镓具有超越硅的多种优势。与传统的硅材料相比，氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、击穿电场强、导通电阻低、电子迁移率高、转换效率高、热导率高、损耗低等优点。

在早期，氮化镓广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信等。随着技术突破，成本逐渐得到控制，目前氮化镓还被广泛运用到消费类电子等领域。


打开四大新兴市场

受汽车、电信、云系统、电压转换器、电动汽车等应用领域对日益高效的解决方案的需求的推动，基于 GaN 的功率器件的市场占有率正在急剧增长。我们将介绍 GaN 的一些应用，这些应用不仅代表了技术挑战，而且最重要的是，代表了扩大市场的新兴机遇。


电机驱动

由于其出色的特性，GaN 已被提议作为电机控制领域中传统硅基 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。GaN 技术的开关频率高达硅的 1,000 倍，加上较低的导通和开关损耗，可提供高效、轻巧且占用空间小的解决方案。高开关频率（GaN 功率晶体管的开关速度可以达到 100 V/ns）允许工程师使用较低值（因此尺寸更小）的电感器和电容器。低 R DS( on) 减少产生的热量，提高能源效率并实现更紧凑的尺寸。与 Si 基器件相比，GaN 基器件需要具有更高工作电压、能够处理高 dV/dt 瞬态和低等效串联电阻的电容器。

GaN 提供的另一个优势是其高击穿电压（50-100 V，与其他半导体可获得的典型 5 至 15-V 值相比），它允许功率器件在更高的输入功率和电压下运行而无需损坏的。更高的开关频率允许 GaN 器件实现更大的带宽，因此可以实现更严格的电机控制算法。此外，通过使用变频驱动 (VFD) 电机控制，可以实现传统 Si MOSFET 和 IGBT 无法获得的效率水平。此外，VFD 实现了极其精确的速度控制，因为电机速度可以上升和下降，从而将负载保持在所需的速度。


5G

GaN 还在 RF 领域提供了具体且非常有趣的前景，能够非常有效地放大高频信号（甚至几千兆赫的数量级）。因此，可以创建能够覆盖相当远距离的高频放大器和发射器，用于雷达、预警系统、卫星通信和基站等应用。

作为下一代移动技术，5G 在更大容量和效率、更低延迟和无处不在的连接方面具有显着优势。使用不同的频段，包括 sub-6-GHz 频段和毫米波 (mmWave)（24-GHz 以上）频段，需要 GaN 等能够提供高带宽、高功率密度和卓越效率的材料价值观。由于其物理特性和晶体结构，GaN 可以在相同的施加电压下支持比可比较的横向扩散 MOSFET 器件更高的开关频率，从而实现更小的占位面积。新兴的 5G 技术，例如大规模多输入多输出 (MIMO) 和毫米波，需要专用的射频前端芯片组。GaN-on-SiC，它将 GaN 的高功率密度与 SiC 的高导热性和降低的射频损耗相结合，被证明是高功率 5G 和射频应用的最合适的解决方案。目前市场上有几种适用于 5G 应用的 GaN 器件，例如用于 5G 大规模 MIMO 应用的低噪声放大器和多通道开关。

无线电力传输

GaN 最具创新性的应用之一是无线充电技术，其中 GaN 的高效率通过将更多的能量传输到接收设备来降低功率损耗。这些系统通常包括一个射频接收器和一个功率放大器，工作频率为 6.78 或 13.56 MHz，并基于 GaN 器件。与传统的硅基器件相比，GaN 晶体管获得了尺寸非常紧凑的解决方案，这是无线充电应用的关键因素。一个示例应用是在无人机中，其中可用空间有限，并且可以在无人机从短距离悬停在充电器上的情况下进行充电。

最有效的集成无线功率传输解决方案使用 GaN 晶体管将系统尺寸减小多达 2 到 3 倍，从而降低充电系统成本。650-V GaN e-HEMT 晶体管为高效无线充电提供了理想的解决方案，功率范围从大约 10 W 到超过 2 kW。


数据中心

GaN 与硅的结合也为数据中心领域提供了重要机会，其中高性能和降低成本至关重要。在云服务器 24/7 全天候运行的数据中心中，电压转换器被广泛使用，典型值为 48 V、12 V 甚至更低的电压，用于为多处理器系统内核供电。随着全球发电量的快速增长，电力转换效率已成为寻求实现净零排放的公司的关键因素，包括运营数据中心和云计算服务的公司。数据中心在更小的空间内需要越来越多的功率，这是 GaN 技术可以广泛满足的要求，实现转换器和电源的更高效率、尺寸减小和更好的热管理，从而降低供应商的成本。


总结

未来，氮化镓也将不再局限于快充等消费电子市场，可广泛应用于通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等传统产业领域。专家认为，由于其商业化进展快，将领跑第三代半导体市场。