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GaN(氮化镓)掀起的半导体产业革命!

发表时间: 2018-10-08 11:29:26

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GaN材料的生长是在高温下,通过TMGa分解出的Ga(金属镓)与NH3(氨气)的化学反应实现的。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。

GaN材料的生长是在高温下,通过TMGa分解出的Ga(金属镓)NH3(氨气)的化学反应实现的。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代GeSi半导体材料、第二代GaAsInP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。

 

硅可以算得上是半导体行业内的老油条。60年来,硅一直占据着半导体行业的核心位置,也是晶体管的首要选择,而晶体管则可以算得上是信息时代的基础。甚至在美国东部还有一个区域以此命名:硅谷。但现在似乎硅的时代终于快要结束了。

 

颇具潜力的候选者当属氮化镓(GaN),由GaN制成的晶体管的开关速度比硅晶体管更快,而且能比硅晶体管承受更高的电压。当你将这些因素叠加在一起时,GaN晶体管将能够让生产企业制备出更小、更快、功耗效率更高的产品。尽管目前GaN晶体管还没有出现在PC芯片内,但它们已经被用来提高自动驾驶汽车原型机和虚拟现实头盔的性能表现,而且它们也正在向更广大的消费电子和医疗电子领域渗透。比如无线充电设备和X射线药丸。“实际上我们还可以将这种新材料扩展到更多的领域,并寻求一些目前还尚不存在的新应用方式。”Gartner的半导体研究主管Stephan Ohr说。

 

在GaN研究领域最强的人莫过于加利福尼亚州埃尔塞贡多市的高效电力转换公司(EPC)CEO兼物理学家Alex Lidow了。Lidow今年60岁,他事业生涯的大部分时间都在寻找一种比硅更强的材料。过去的二十年里,他和其它十几位科学家的共同努力将GaN晶体管从最初的试验阶段推进到了现在的可以在标准的半导体工厂中生产的阶段。EPC只生产了少量的晶体管。但过去的18个月,生产工艺的提升让相关的工业生产变得更为主流。

 

Lidow说:“这是60年来第一次,我终于可以说‘我可以让这个东西做的更好,我可以让这个做到更加便宜’了。”

 

1977年,Lidow和另外一些科学家共同发明了被称为功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的硅基晶体管。这种器件目前的售价只有17美分一个,而且也已经在许多种产品中得到了应用,从服务器电源到洗衣机。目前全球最主要的MOSFET供应商是国际整流器公司(IR),这家公司是由Lidow的祖父创立的,而Lidow的父亲则依靠他的发明成就了一家价值30亿美元的企业。关于GaN晶体管很重要的一点就是其对MOSFET的替代潜力和对电源管理的革命性意义。

 

因为GaN晶体管比硅晶体管的速度更快,所以也就可以以更为精确地对其进行控制。因此,可以做出更加高效、功率转换系统更小的计算机。“电源和适配器都在期待一种新的更加高效的技术出现。”加州大学圣巴巴拉分校电气和计算机工程教授Umesh Mishra说。Mishra估计,如果将现在产品中的晶体管都换成基于GaN的晶体管,那么我们每年能节约大约40个核反应推所提供了电力。“当谈到气候变化时,人们通常说你不能在不用掉更多资金的前提下解决废物排放的问题,但现在就有个实例能证明那是错误的。”他说。

 

美国国防部和能源部已经对Mishra进行了二十多年的资助,而且其研究成果已经出现在了军方的雷达和通信系统之中。2007年,Mishra与别人联合创办了Transphorm,其业务主要是销售用于功率转换的GaN晶体管。其客户包括印度的塔塔电力公司太阳能与日本安川电机。Transphorm已经得到了谷歌风险投资公司和Kleiner Perkins Caufield & Byers1.25亿美元的资金支持。而原来的半导体巨头,如英飞凌和松下也有涉及用于功率应用的GaN晶体管设计。

 

Lidow并不像其他竞争对手一样不断地追求更新颖更高利润的GaN晶体管应用市场。“他们会在一个巨大的市场形成之后继续前进,”他说,“我们正在创造新的市场,并由此产生新的业务。”

 

2007年,Lidow辞去了IR公司CEO的职位。他说那时的工作出了一些问题。他不能获得另一个工作。“招聘人员告诉我我是有毒的。”他说。因此他决定成立自己的公司EPC,并从IR公司挖来了曾和他一起进行GaN研究的一些研究人员。

 

Archie Hwang是一个台湾商人,也是一家半导体工厂的老板,Lidow和它各自向EPC投入了2500万美元,两个所占的公司股份超过了99%。公司组建起来后,IRLidow开始互相起诉对方,并终于在20136月份尘埃落定,EPC最终同意为其所销售的GaN晶体管支付专利费用。(去年英飞凌收购了IR,而IR还未就此做出评论。)

 

今年,EPC预计GaN晶体管的销售量会达到数百万只,单只价格从40美分到几美元不等。部分GaN晶体管会被用于自动驾驶汽车之中,因为在自动驾驶汽车中,对障碍探测的响应速度的要求非常高,而GaN晶体管的开关速度能够达到硅晶体管的十倍以上。电信设备制造商已经开始在使用GaN晶体管来提升其无线信号基站的信号质量。消费电子产品制造商也已经将EPCGaN晶体管应用在了它们的虚拟现实头盔之中。

 

一家公司甚至制造了基于GaN的药丸,这种药丸可以放置在被检查者的结肠之中通过X射线实现诊断,从而避免了让人痛苦的传统的结肠镜检查,这款产品预计今年内就会上市。正是因为GaN如此地高效,科学家们才得以将X射线透视器械做到那么小,同时还能保持效率。Lidow说目前他还不能披露所有的客户信息,但还是提到了一些值得注意的客户。

 

如Microsemi,这是一家位于加利福利亚的芯片和电子设备制造商,该公司的正在尝试将GaN晶体管应用到人造卫星之中;还有来自麻省理工学院的初创公司WiTricity,该公司正致力于开发能在几英尺内工作的无线充电系统;另外还有FINsix公司,该公司已经能将笔记本电脑的适配器做到香烟点烟器一般的大小。

 

Gartner公司的Ohr先生强调,克服半导体产业的惯性并非易事。虽然GaN的特性很有吸引力,但其还需要证明其显著的性能优势和能够为使用者带来效益。尤其是在计算机和手机芯片的生产中,可以预见在未来很长时间内硅都将继续占据统治地位。但Lidow和其它一些人仍然在其中看到了许多机会。分析师预计在未来几年里,GaN晶体管将会夺下硅晶体管约10亿美元的市场。而Lidow认为长期来看GaN的市场价值有望达到3000亿美元。“我有这个预感。”他说。


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