芯耀
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據(jù) thehindubusinessline 網(wǎng) 5 月 4 日?qǐng)?bào)道，印度科學(xué)研究院（IISc）納米科學(xué)與工程中心（CeNSE）的研究人員成功開發(fā)出印度首個(gè)完全自主研發(fā)的硅基氮化鎵（GaN）微波功率晶體管。
CeNSE 團(tuán)隊(duì)通過在 IISc 內(nèi)部完成材料生長、設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，克服了技術(shù)挑戰(zhàn)。他們實(shí)現(xiàn)了 10 GHz 頻率下 8W 的輸出功率，并通過調(diào)整材料的 “極化” 特性，消除了對(duì)碳或鐵雜質(zhì)的需求，這些雜質(zhì)通常用于實(shí)現(xiàn)高壓操作。整個(gè)制造工藝均為本土開發(fā)。
這一成果標(biāo)志著印度在先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)自力更生方面取得了重要進(jìn)展，是印度首次在不添加碳或鐵的情況下成功演示硅基氮化鎵微波晶體管。
No.1 什么是氮化鎵功率晶體管？
氮化鎵是一種無機(jī)物，化學(xué)式GaN，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。氮化鎵的能隙較寬，為3.4eV，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。其次，氮化鎵具有優(yōu)良的電子遷移率和電子飽和漂移速度，這使得它在射頻和微波電子器件中具有出色的性能，例如5G通信系統(tǒng)中的射頻功率放大器。
日本名古屋大學(xué)和名城大學(xué)教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩和美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授中村修二，其在GaN和固態(tài)照明和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面所做工作的巨大影響力而獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
氮化鎵（GaN）是一種二元 III/V 族直接帶隙半導(dǎo)體，非常適合制造能夠在高溫下工作的高功率晶體管。自 20 世紀(jì) 90 年代以來，它已普遍用于發(fā)光二極管（LED）。氮化鎵發(fā)出的藍(lán)光可用于藍(lán)光光盤的讀取。此外，氮化鎵還應(yīng)用于半導(dǎo)體功率器件、射頻組件、激光器和光子學(xué)領(lǐng)域。未來，我們還將在傳感器技術(shù)中看到氮化鎵的身影。
No.2 氮化鎵功率晶體管的優(yōu)勢(shì)
2.1 高效能轉(zhuǎn)換
氮化鎵功率晶體管的導(dǎo)通電阻（RDS（on））較低。以宜普公司的產(chǎn)品為例，其第一代氮化鎵晶體管專為 5V 驅(qū)動(dòng)器操作而設(shè)，在相同電壓條件下，與硅 MOSFET 相比，漏極對(duì)源極的電阻更低。如宜普 1001（100V，5.6mΩ）在柵極電壓越接近最高水平時(shí)，漏極對(duì)源極的電阻持續(xù)下降。這使得在電流通過時(shí)，熱損耗顯著降低，從而提高了能源利用效率。例如在開關(guān)電源中，較低的導(dǎo)通電阻可減少能量在晶體管導(dǎo)通狀態(tài)下的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。氮化鎵晶體管的橫向結(jié)構(gòu)使其具有極低電荷特性，能夠在數(shù)納秒內(nèi)切換數(shù)百伏特，切換頻率可達(dá)數(shù)兆赫。柵漏極間電容（CGD）極低，致使電壓切換非常迅速?？焖俚拈_關(guān)速度可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成電路的導(dǎo)通和關(guān)斷操作，減少了開關(guān)過程中的能量損失。在 D 類功率放大器中，快速開關(guān)速度可使放大器更精確地模擬音頻信號(hào)，提高信號(hào)的保真度；在功率轉(zhuǎn)換器中，能實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率，從而縮小功率轉(zhuǎn)換器的體積。由于氮化鎵材料能夠承受高電壓和大電流，且在高功率運(yùn)行時(shí)仍能保持較低的損耗，使得氮化鎵功率晶體管可以在較小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的功率輸出，即具有高功率密度。相比傳統(tǒng)的硅基功率器件，在相同功率需求下，氮化鎵功率晶體管的體積可以更小。這一特性在對(duì)空間和重量要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景中，如電動(dòng)汽車的車載逆變器、衛(wèi)星通信設(shè)備等，具有極大的優(yōu)勢(shì)，既能減輕設(shè)備重量，又能提高設(shè)備的功率處理能力。
2.2 高溫穩(wěn)定性
氮化鎵功率晶體管能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，其熱穩(wěn)定性優(yōu)于許多傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。例如，在一些工業(yè)應(yīng)用中，設(shè)備可能會(huì)在高溫環(huán)境下長時(shí)間運(yùn)行，氮化鎵晶體管能夠在這樣的環(huán)境中保持良好的性能，不會(huì)因?yàn)闇囟壬叨霈F(xiàn)明顯的性能下降或故障。其工作溫度可高達(dá) 200°C 以上，這使得它在一些高溫環(huán)境的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的電子設(shè)備、高溫工業(yè)爐附近的控制電路等，無需復(fù)雜的散熱措施就能可靠運(yùn)行。
2.3 高頻性能優(yōu)異
通過 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面形成的二維電子氣（2DEG），氮化鎵功率晶體管實(shí)現(xiàn)了極高的電子遷移率。在高頻通信領(lǐng)域，如 5G 基站的信號(hào)處理中，高電子遷移率使得晶體管能夠快速響應(yīng)高頻信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)更高頻率的信號(hào)處理和傳輸。相比硅基器件，氮化鎵晶體管在高頻下能夠提供更高的增益和更低的噪聲系數(shù)，從而提高了整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，保證了數(shù)據(jù)傳輸的高速率和穩(wěn)定性。其寬禁帶特性以及高電子遷移率等綜合性能，使得氮化鎵功率晶體管非常適合高頻應(yīng)用場(chǎng)景。在雷達(dá)系統(tǒng)中，能夠滿足雷達(dá)對(duì)高頻段、大功率和高效率的要求，提高雷達(dá)的探測(cè)距離和精度；在衛(wèi)星通信中，可在高頻段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的信號(hào)傳輸，支持高速數(shù)據(jù)通信。
No.3 氮化鎵功率晶體管的應(yīng)用領(lǐng)域
3.1 無線通信領(lǐng)域
5G 基站隨著 5G 通信技術(shù)的普及，基站需要具備高頻段、大功率和高效率的特性。氮化鎵晶體管能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更遠(yuǎn)的傳輸距離和更強(qiáng)的信號(hào)處理能力，是 5G 基站建設(shè)中的關(guān)鍵元件。在毫米波頻段，氮化鎵晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)更高的增益和更低的噪聲系數(shù)，從而提高系統(tǒng)的整體性能，滿足 5G 基站對(duì)高速率、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>
衛(wèi)星通信在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，氮化鎵晶體管的高功率密度和高溫穩(wěn)定性使其能夠在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作。衛(wèi)星在太空中面臨著高低溫交變、輻射等惡劣環(huán)境，氮化鎵晶體管能夠適應(yīng)這些環(huán)境，保證衛(wèi)星通信的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面站之間高質(zhì)量的信號(hào)傳輸。雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)高頻段、大功率和高效率的要求與氮化鎵晶體管的特性高度契合。氮化鎵晶體管在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅提高了雷達(dá)的探測(cè)距離和精度，還降低了系統(tǒng)的體積和重量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。例如在軍事雷達(dá)和民用航空雷達(dá)中，氮化鎵晶體管的應(yīng)用能夠提升雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能。
3.2 電源管理領(lǐng)域
開關(guān)電源
隨著電子設(shè)備的普及和功率需求的增加，對(duì)開關(guān)電源的效率、功率密度和體積提出了更高的要求。氮化鎵晶體管以其高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和低損耗的特性，在開關(guān)電源中實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率和更小的體積。在服務(wù)器電源中，采用氮化鎵晶體管的開關(guān)電源能夠顯著提高能效，降低系統(tǒng)散熱需求，從而節(jié)省能源和空間，降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本。
逆變器
在光伏逆變器和風(fēng)力發(fā)電變流器等可再生能源系統(tǒng)中，氮化鎵晶體管的高效率和高溫穩(wěn)定性使得其能夠在惡劣的工作環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。在太陽能發(fā)電站的光伏逆變器中，氮化鎵晶體管能夠?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/502524.html">太陽能電池板產(chǎn)生的直流電高效地轉(zhuǎn)換為交流電并接入電網(wǎng)，提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本；在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的變流器中，能適應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、溫度變化等環(huán)境因素，保障電力轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定進(jìn)行。
在電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)高效、緊湊和可靠性的要求越來越高。氮化鎵晶體管在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用，不僅提高了系統(tǒng)的效率和功率密度，還降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本和維護(hù)難度。在電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，氮化鎵晶體管能夠更精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)航能力；在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的快速響應(yīng)控制，提高生產(chǎn)效率。
3.3 汽車電子領(lǐng)域
電動(dòng)汽車充電站
在電動(dòng)汽車充站中，氮化鎵晶體管被用于高效、快速的充電設(shè)備中。其高效率和高溫穩(wěn)定性使得充電設(shè)備能夠在短時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車提供充足的電能，同時(shí)保持穩(wěn)定的性能。采用氮化鎵晶體管的快速充電站，可以大大縮短電動(dòng)汽車的充電時(shí)間，提高充電效率，緩解用戶的里程焦慮，促進(jìn)電動(dòng)汽車的普及。
車載逆變器
車載逆變器是電動(dòng)汽車中不可或缺的部件之一。采用氮化鎵晶體管的車載逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和更低的損耗，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力和行駛穩(wěn)定性。將電動(dòng)汽車電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為車內(nèi)的各種電器設(shè)備供電時(shí)，氮化鎵晶體管的應(yīng)用可減少能量在轉(zhuǎn)換過程中的損失，使有限的電池電量能夠得到更充分的利用。
在電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)中，氮化鎵晶體管的高頻特性和高功率密度使得其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效、精確控制。能夠快速響應(yīng)電機(jī)控制信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速啟動(dòng)、停止和調(diào)速，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和性能，進(jìn)而提升電動(dòng)汽車的整體性能。
3.4 激光雷達(dá)領(lǐng)域
高速脈沖產(chǎn)生
激光雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛汽車和智能機(jī)器人等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)傳感器的性能和可靠性有著極高的要求。氮化鎵晶體管能夠快速產(chǎn)生高電壓、大電流的脈沖信號(hào)，為激光雷達(dá)提供穩(wěn)定的激光脈沖輸出。在自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，快速產(chǎn)生的高能量激光脈沖可以更準(zhǔn)確地探測(cè)周圍環(huán)境的距離和物體信息，提高自動(dòng)駕駛的安全性和可靠性。
高效能轉(zhuǎn)換
在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，氮化鎵晶體管的高效能轉(zhuǎn)換特性使得其能夠?qū)㈦娔芨咝У剞D(zhuǎn)換為激光能量，從而提高系統(tǒng)的整體性能。減少了能量在轉(zhuǎn)換過程中的損耗，使激光雷達(dá)能夠以更低的功耗運(yùn)行，同時(shí)提高激光的發(fā)射功率和探測(cè)精度，為自動(dòng)駕駛和智能機(jī)器人等領(lǐng)域提供更可靠的環(huán)境感知能力。另外，據(jù)說斬殺陣風(fēng)戰(zhàn)機(jī)的功臣?xì)?0CE和霹靂15E上所用的相控陣?yán)走_(dá)就應(yīng)用了很多氮化鎵做TR組件。這么好的東西，印度萬一用在光輝戰(zhàn)機(jī)上怎么辦？ 不用怕，在2023年7月3日，中國商務(wù)部和海關(guān)總署聯(lián)合發(fā)布公告，決定對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制，其中就包括氮化鎵。公告明確，未經(jīng)許可，不得出口氮化鎵（包括但不限于晶片、粉末、碎料等形態(tài)）。而我國是全球最大的鎵金屬生產(chǎn)國和出口國，2023年全球鎵產(chǎn)量為730噸，中國的產(chǎn)量約為701噸，占全球比例高達(dá)96.0%。
