半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的“魔咒”下已經(jīng)狂奔了50多年，隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限，摩爾定律對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的加速度已經(jīng)明顯放緩。除了進(jìn)一步發(fā)展在摩爾定律下的制造工藝外，尋找硅（Si）以外新一代的半導(dǎo)體材料，也就成了一個(gè)重要方向。在這個(gè)過(guò)程中，氮化鎵（GaN）近年來(lái)作為一個(gè)高頻詞匯，進(jìn)入了人們的視野。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202003/411238.htmGaN是一種新型的半導(dǎo)體材料，中文名為氮化鎵，英文名稱是 Gallium nitride。它是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（Direct Bandgap）的半導(dǎo)體，也是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料。與碳化硅（SiC）一起被成為“第三代半導(dǎo)體材料”，而第三代半導(dǎo)體材料正憑借其優(yōu)越的性能和巨大的市場(chǎng)前景，成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。
為什么GaN技術(shù)得到了發(fā)展？
與GaN相比，實(shí)際上同為第三代半導(dǎo)體材料的SiC的應(yīng)用研究起步更早，而之所以GaN近年來(lái)更為搶眼，主要的原因有兩點(diǎn)：第一，GaN在降低成本方面顯示出了更強(qiáng)的潛力，目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件，以替代昂貴的SiC襯底；第二，由于GaN器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。
氮化鎵（GaN）具有更高的擊穿電壓(使用GaN時(shí)大于200V)，能夠承受高的輸入/輸出錯(cuò)配(通常>15：1VSWR)，具有更高的結(jié)溫，平均無(wú)故障時(shí)間為一百萬(wàn)個(gè)小時(shí)。此外，它還具有熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等特性。
相較于傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體，GaN能夠提供顯著的優(yōu)勢(shì)來(lái)支持功率應(yīng)用，這些優(yōu)勢(shì)包括在更高功率獲取更大的節(jié)能效益，以致寄生功耗大幅降低；GaN材料也容許更多精簡(jiǎn)元件的設(shè)計(jì)以支持更小的尺寸外觀。這與半導(dǎo)體行業(yè)一貫的“調(diào)性”是吻合的。
圖片來(lái)源：ON Semiconductor根據(jù)Gartner繪制的GaN技術(shù)成熟度曲線，GaN目前處于技術(shù)成熟度曲線的第二個(gè)攀升階段，也就是說(shuō)它的熱潮時(shí)間段已經(jīng)過(guò)去，走出了泡沫化的低谷期，已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)步爬升的光明期，現(xiàn)在正是GaN產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的良機(jī)。GaN首先從上世紀(jì)90年代開(kāi)始在LED領(lǐng)域大放異彩，自20世紀(jì)初以來(lái)，GaN功率器件已經(jīng)逐步商業(yè)化。2010年，第一個(gè)GaN功率器件由IR投入市場(chǎng)，自商用功率GaN器件首次發(fā)布以來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)進(jìn)入該產(chǎn)業(yè)鏈。在功率器件中，相對(duì)于Si器件，GaN功率器件的性能具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先，其轉(zhuǎn)換效率很高，GaN的禁帶寬度是硅的三倍，臨界擊穿電場(chǎng)是硅的十倍，因此同樣額定電壓的GaN功率器件的導(dǎo)通電阻比硅器件低1000倍左右，大大降低了開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗。另外，GaN功率器件工作頻率很高，比硅器件高20倍左右。由于GaN可以工作在高頻段，因此可以使得整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)工作頻率從原來(lái)的50~60kHz，提高到200~500kHz及以上。工作頻率高了后，就可以大幅縮小變壓器等器件的體積，從而提高了產(chǎn)品的功率密度，讓產(chǎn)品的體積可以做得更小，效率做得更高。同時(shí)，因?yàn)樾侍岣吡?，散熱也更好處理，有些產(chǎn)品甚至都不需要加散熱片了。這些給GaN功率器件的發(fā)展創(chuàng)造了條件。相比硅在高于1200V的高電壓、大功率具有優(yōu)勢(shì)，GaN制的產(chǎn)品更適合40～1200V的應(yīng)用，特別是在600V/3KW能發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，600/650V等級(jí)的GaN晶體管現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用。因此，在伺服器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS等領(lǐng)域，GaN可以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)MOSFET或IGBT的地位。2016年氮化鎵(GaN)功率元件產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為1200萬(wàn)美元，研究機(jī)構(gòu)Yole Développemen研究顯示預(yù)計(jì)到2022年該市場(chǎng)將成長(zhǎng)到4.6億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率高達(dá)79%。
擁有GaN功率器件或輔助元器件業(yè)務(wù)的公司幾乎都享受著銷售業(yè)績(jī)每月增長(zhǎng)的“甜蜜”，包括GaN Systems、Navitas Semiconductor、Texas Instruments（德州儀器）、Panasonic（松下）和On Semiconductor（安森美）等公司。
雖然GaN有著許多優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)楫a(chǎn)品價(jià)格偏高，這是現(xiàn)在消費(fèi)性電子產(chǎn)品未大量采用的主因。反而在衛(wèi)星、軍事這類對(duì)價(jià)格敏感度低的產(chǎn)業(yè)，GaN零組件對(duì)其有極大的吸引力。若未來(lái)成本能再大幅下降，市場(chǎng)需求就會(huì)爆發(fā)。GaN在電源管理、發(fā)電和功率輸出方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在600伏特左右電壓下，其在芯片面積、電路效率和開(kāi)關(guān)頻率方面明顯優(yōu)于硅，這使電源產(chǎn)品更為輕薄、高效。并且，GaN充電器體積小、功率高、支持PD協(xié)議，有望在未來(lái)統(tǒng)一筆電和手機(jī)的充電器市場(chǎng)，市場(chǎng)前景廣闊。Yole預(yù)計(jì)2024年GaN電源市場(chǎng)產(chǎn)值將超過(guò)3.5億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)85%，當(dāng)中，GaN快充是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高成長(zhǎng)的主要力量。隨著GaN技術(shù)獲得突破，成本得到控制，除了射頻微波領(lǐng)域，它還被廣泛應(yīng)用到了消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，其中快速充電器便是一例。采用了GaN功率器件的充電器最直觀的感受就是體積小、重量輕，在發(fā)熱量、效率轉(zhuǎn)換上相比普通充電器也有更大的優(yōu)勢(shì)，大大的提升了用戶的使用體驗(yàn)。2018年10月，ANKER發(fā)布了全球首款USB PD GaN充電器PowerPort Atom PD1，和蘋果5W充電器差不多的體積卻能輸出高達(dá)27W的功率，吸足眼球。隨后，除了專門生產(chǎn)充電頭的廠商，不少消費(fèi)電子廠商也盯上了GaN充電技術(shù)。去年10月發(fā)布的OPPO Reno Ace中，就標(biāo)配了一個(gè)GaN充電器，可以實(shí)現(xiàn)65W的超級(jí)閃充，成為全球首款標(biāo)配GaN充電器的手機(jī)。上個(gè)月，在小米新品發(fā)布會(huì)上，小米也推出了一款體積小巧的充電器，采用了來(lái)自Navitas的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC，體積為56.3x30.8x30.8mm，官方表示是標(biāo)準(zhǔn)適配器尺寸的一半，也就是小米GaN充電器Type-C 65W —— 再次讓GaN材料在充電器上的應(yīng)用引發(fā)了消費(fèi)電子行業(yè)的關(guān)注。就整個(gè)消費(fèi)電子行業(yè)的情況來(lái)看，GaN已經(jīng)在全球主流的消費(fèi)電子廠商中得到了關(guān)注和投入，GaN也正在伴隨充電器快速爆發(fā)。今年一月，在美國(guó)舉辦的CES展會(huì)上，參展的GaN充電器已經(jīng)多達(dá)66款，其中涵蓋了18W、30W、65W、100W等多個(gè)功率以及全新品類超級(jí)擴(kuò)展塢，滿足手機(jī)、平板、筆電的全方位充電需求。綜合性能和成本兩個(gè)方面，GaN也有望在未來(lái)成為消費(fèi)電子領(lǐng)域快充器件的主流選擇。隨著用戶對(duì)充電器通用性、便攜性的需求提高，未來(lái)GaN快充市場(chǎng)規(guī)模將快速上升，預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場(chǎng)規(guī)模為23億元，2025年將快速上升至638億元，5年復(fù)合年均增長(zhǎng)率高達(dá)94％。值得一提的是，在這樣的市場(chǎng)趨勢(shì)下，一些重要的半導(dǎo)體行業(yè)也大舉切入到GaN市場(chǎng)。GaN不僅僅只在充電器領(lǐng)域，憑借GaN的功率性能、頻率性能以及優(yōu)秀散熱性能，它還可用于5G基站、自動(dòng)駕駛、軍用雷達(dá)等眾多功率和頻率有較高要求的場(chǎng)。GaN的應(yīng)用不僅僅止于充電領(lǐng)域但在手機(jī)領(lǐng)域，GaN之所以越來(lái)越出名，絕不僅僅是因?yàn)榭斐?，而?G時(shí)代的到來(lái)。5G將帶來(lái)半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，因此基站及通信設(shè)備對(duì)射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。不僅如此，5G所需要的多重載波聚合以及基站的功率放大器，GaN都可以占據(jù)一席之地，通吃5G的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。在此背景下，GaN的優(yōu)勢(shì)將逐步凸顯，使得GaN成為5G的關(guān)鍵技術(shù)。隨著今年5G手機(jī)的大規(guī)模推出和各國(guó)5G基站的鋪設(shè)，和現(xiàn)有的硅、砷化鎵的解決方案比起來(lái)，GaN則能提供更好的功率以及能耗比，也更能適用于5G時(shí)代的需求。· 在5G的關(guān)鍵技術(shù)Massive MIMO應(yīng)用中，基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如32/64等）的陣列天線實(shí)現(xiàn)更大的無(wú)線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元陣列配套。因此射頻器件的數(shù)量將大為增加，器件的尺寸大小很關(guān)鍵，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。· 除了基站射頻收發(fā)單元陳列中所需的射頻器件數(shù)量大為增加，基站密度和基站數(shù)量也會(huì)大為增加，因此相比3G、4G時(shí)代，5G時(shí)代的射頻器件將會(huì)以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加，因此成本的控制非常關(guān)鍵，而硅基氮化鎵在成本上具有巨大的優(yōu)勢(shì)，隨著硅基氮化鎵技術(shù)的成熟，它能以最大的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)取得市場(chǎng)的突破。同時(shí)在5G毫米波應(yīng)用上，GaN的高功率密度特性在實(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸，實(shí)現(xiàn)性能成本的最優(yōu)化組合。讓人感到興奮并可瞥見(jiàn)未來(lái)的自動(dòng)駕駛，也是GaN的應(yīng)用領(lǐng)域。如果您仔細(xì)看，您會(huì)看到在車頂上安裝了用作車輛的“眼睛”的激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)。LiDAR器件快速發(fā)射出控制光束，以及紀(jì)錄光束從一個(gè)物體上反射回來(lái)到傳感器的時(shí)間，并且可以確定這個(gè)物體的方向，從而制成在車輛四周的三維360度全景。激光光束的發(fā)射速度越快，LiDAR系統(tǒng)識(shí)別物體的能力或場(chǎng)景的分辨率將會(huì)更高。GaN技術(shù)在LiDAR系統(tǒng)中發(fā)揮非常重要的作用，相較MOSFET器件而言，開(kāi)關(guān)速度快十倍，使得LiDAR系統(tǒng)具備優(yōu)越的解像度及更快速反應(yīng)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，由于可實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，因此可推動(dòng)更高準(zhǔn)確性。這些性能推動(dòng)全新及更廣闊的LiDAR應(yīng)用領(lǐng)域的出現(xiàn)包括支持電玩應(yīng)用的偵測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)作、以手勢(shì)驅(qū)動(dòng)指令的計(jì)算機(jī)及自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用。GaN在國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用前景也很廣闊，美國(guó)的大型國(guó)防合約商雷神公司宣布將開(kāi)始在新生產(chǎn)的Guidance Enhanced Missile-TBM（GEM-T）攔截器中使用GaN計(jì)算機(jī)芯片，以取代目前在導(dǎo)彈發(fā)射器中使用的行波管（TWT），希望通過(guò)使用GaN芯片升級(jí)GEM-T的發(fā)射器，提高攔截器的可靠性和效率。此外，在新生產(chǎn)導(dǎo)彈中過(guò)渡到GaN意味著發(fā)射器不需要在攔截器的使用壽命期間更換。雷神公司的GEM-T導(dǎo)彈是美國(guó)陸軍愛(ài)國(guó)者空中和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的支柱，于對(duì)付飛機(jī)和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈。發(fā)射器將導(dǎo)彈與地面系統(tǒng)連接起來(lái)，使其能夠在飛行過(guò)程中控制武器，GEM-T中的GaN發(fā)射器使用固態(tài)而不是傳統(tǒng)的行波管設(shè)計(jì)。新發(fā)射器具有與舊發(fā)射器相同的外形和功能，不需要額外的冷卻，并且可以在通電幾秒鐘內(nèi)運(yùn)行。這意味著采用新型GaN發(fā)射器的GEM-T將能夠繼續(xù)在最苛刻的條件下運(yùn)行。這種發(fā)射器技術(shù)也可能會(huì)在其他導(dǎo)彈上看到其他測(cè)試。美國(guó)陸軍表示有興趣用這些類型的發(fā)射器取代整個(gè)庫(kù)存，在GEM-T計(jì)劃中采用這些發(fā)射器能夠?qū)⑿迯?fù)成本降低36％。最后我們來(lái)看看，現(xiàn)在什么是氮化鎵（GaN）器件發(fā)展道路上的“攔路虎”呢？影響最大的就是：價(jià)格。回顧前兩代半導(dǎo)體的演進(jìn)發(fā)展過(guò)程，任何一代半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，都面臨商用化的挑戰(zhàn)。目前GaN也處于這一階段，成本將會(huì)隨著市場(chǎng)需求量加速、大規(guī)模生產(chǎn)、工藝制程革新等，而走向平民化，而最終的市場(chǎng)也將會(huì)取代傳統(tǒng)的硅基功率器件。隨著第三代半導(dǎo)體的普及臨近，也讓我們有幸見(jiàn)證這一刻的到來(lái)。
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