隨著技術的發展，終端設備對于半導體器件性能、效率、小型化要求的越來越高，特別是隨著5G的即將到來，也進一步推動了以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料的快速發展。

GaN的神奇

1、GaN是什么?

GaN是極穩定的化合物，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(0.5或0.43)。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。

2、GaN器件逐步步入成熟階段

氮化鎵技術可以追溯到1970年代，美國無線電公司(RCA)開發了一種氮化鎵工藝來制造LED。

自上世紀90年代開始，基于GaN的LED大放異彩，目前已是LED的主流。現在市場上銷售的很多LED就是使用藍寶石襯底的氮化鎵技術。

除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導體與射頻器件上。基于氮化鎵的功率芯片正在市場站穩腳跟。

2010年，第一個GaN功率器件由IR投入市場，2014年以后，600V GaN HEMT已經成為GaN器件主流。

2014年，行業首次在8英寸SiC(碳化硅)上生長GaN器件。

3、GaN在電力電子領域與微波射頻領域均有優勢

①、GaN在電力電子領域：高效率、低損耗與高頻率

高轉換效率：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。

低導通損耗：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。

Si功率器件開關速度慢，能量損耗大

GaN開關速度快，可大幅度提升效率(來源：太平洋證券整理)

高工作頻率：GaN開關器件寄生電容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

②、GaN在微波射頻領域：高效率、大帶寬與高功率

更高功率：GaN上的電子具有高飽和速度(在非常高的電場下的電子速度)。結合大電荷能力，這意味著GaN器件可以提供更高的電流密度。RF功率輸出是電壓和電流擺動的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實際尺寸的晶體管中產生更高的RF功率。在4GHz以上頻段，可以輸出比GaAs高得多的頻率，特別適合雷達、衛星通信、中繼通信等領域。

更高效率：降低功耗，節省電能，降低散熱成本，降低總運行成本。

更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實現多頻率覆蓋，降低客戶產品成本。也適用于擴頻通信、電子對抗等領域。

另外值得一提的是，GaN-on-SiC器件具有出色的熱性能，這主要歸功于SiC的高導熱性。實際上，這意味著GaN-on-SiC器件在耗散相同功率時不會像GaAs或Si器件那樣熱。“較冷”設備意味著更可靠的設備。

在晶體管級，GaN比傳統硅晶體管具有更高的電流、更快的開關速度和更小的物理尺寸。還可以使用增強模式GaN (e-GaN)和采用Cascode結構 FET GaN開關結構。

e-GaN開關是一種正常關閉的GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)，它的工作原理與普通MOSFET類似，但需要更多的注意門驅動電路的設計。e-GaN HEMTs就是專門為開關而設計的門驅動器。在Cascode結構中，Cascode耗盡模式GaN開關與硅MOSFET串聯使用常開耗盡模式GaN HEMT。硅MOSFET控制開關中的氮化鎵HEMT的開關，因此可以使用標準的MOSFET柵驅動器，并集成了GaN HEMT和相關的GaN門驅動電路的部件也可使用。

應用前景

隨著越來越多的供應商向市場提供產品，GaN在電力應用中的應用顯著增長。相對于硅，GaN具有更高的開關頻率、更低的損耗和更小的物理尺寸。這意味著工程師在設計有限空間和高效率的電力電路時有更多的選擇。從GaN中獲益最多的應用程序是那些需要高效率或緊湊物理空間的應用程序。在服務器、電信、適配器/充電器、無線充電和D級音頻等市場有著光明的情景。

廠商產品一覽

EPC

自從2009年推出商用增強型GaN (eGaN?)晶體管以來，EPC現在提供了廣泛的GaN FETs和集成GaN器件選擇。場效應晶體管有單晶體管和陣列兩種，單極晶體管Vdss額定值可達200 V，連續ID可達90a (TA = 25°C)。晶體管陣列有雙共源、半橋和半橋+同步引導配置。此外，集成的GaN器件——EPC2112和EPC2115，EPC2112包含一個200伏GaN功率晶體管和一個2.9mmx1.1mm封裝優化柵驅動器;EPC2115包含兩個單片150伏GaN功率晶體管，每個晶體管都有一個優化的柵極驅動器，封裝在一個2.9毫米x 1.1毫米的封裝中。

由于GaN晶體管比硅晶體管小得多，故而EPC設備采用芯片級封裝。這種組合使得更小的設備使用更少的PCB空間，讓成本更低。更小的引腳和更卓越的性能使得GaN無法設計更大的硅零件。EPC的FETs和ICs在評估版和展示板上訪問快速啟動指南，示意圖，BOMs和Gerber文件。

英飛凌

英飛凌在硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)技術中提供基于半導體的電力設備。在GaN技術方面，英飛凌開發了用于高壓GaN開關的600v CoolGaN?增強模式(通常關閉)GaN電源晶體管和EiceDRIVER?單通道隔離柵驅動芯片。1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H EiceDRIVER?柵極驅動器IC與CoolGaN?power fts具有很強的互補性。GaN EiceDRIVER?系列的主要優點包括正柵和負柵驅動電流，在非相位時能將柵電壓牢牢地保持在零，以及集成的電流隔離。

Navitas

集成電路是集成了GaN功率場效應晶體管、門驅動器和邏輯的單片GaN芯片。Navitas提供GaN電源集成解決方案，將完整的電路集成在一個模具中，在尺寸、開關速度、效率和易于集成方面具有顯著的優勢。NV6113、NV6115和NV6117是單開關設備，可用于buck、boost、半橋和全橋等拓撲。NVE031E是NV6115的電源演示板。

德州儀器公司

TI提供GaN驅動器和集成的GaN電源級設備。驅動程序為設計人員提供了選擇GaN輸出FET的靈活性，以滿足特定要求。集成功率級器件可將寄生電感降至最低，從而提高開關性能，減少電路板空間。

TI的GaN驅動程序包括LMG1205、LMG1210、LMG1020和LM5113-Q1。LMG1205的設計是在同步降壓、升壓或半橋結構下驅動高側和低側增強模式GaN FETs。LMG1210具有與LMG1205相同功能，但提供了優越的開關性能、電阻可配置的死區時間以及用于更廣泛VDD范圍的內部LDO。LMG12xx評估板包括LMG1205HBEVM和LMG1210EVM-012。LMG1020是一個單一低側驅動程序，用于在高速應用中驅動GaN和邏輯級MOSFET上。LM5113-Q1用于驅動高側和低側增強模式GaN FET或硅MOSFET同步降壓、升壓或半橋結構的汽車應用，并符合EC-Q100，它的評估版是LM5113LLPEVB。

TI的集成電源級設備包括LMG3411和LM5200。LMG3411集成了600伏GaN場效應管、驅動器和保護電路，它的評估板是lmg3411ev -029。LMG5200集成了兩個80伏GaN場效應管，由一個高頻驅動器驅動，采用半橋結構。

Transphorm

最后，Transphorm提供的GaN電源開關，其基礎是一個正常關閉的低電壓硅MOSFET和一個正常打開的高電壓GaN HEMT[1]在Cascode結構。

Transphorm的GaN器件就像帶有低電荷體二極管的超高速場效應晶體管。與傳統硅相比，具有較短的恢復時間等優點。開關提供非常快的上升與上升時間<10 ns。可以用在650伏和900伏的設備上。

增強型GaN HEMT可在低、中壓范圍(高達200V)使用，很快就可以達到更高電壓(600V)。然而，就當今的技術而言，由于面臨閘極驅動設計挑戰，所以必須平衡增強型元件的便利性、性能和穩定性，增強型GaN HEMT的臨界值電壓較低，而且可以完全導通的增強型VGS和絕對最大額定值的VGS通常只差1V。鑒于GaN HEMT的開關速度極快，促使從漏極耦合到閘極的C dv/dt造成閘極驅動電路很容易受到「閘極反彈」電壓的影響。盡管如此，增強型GaN HEMT仍然具有誘人優勢，并且將來的產品設計毫無疑問會越來越好。

[1] 基本的GaN構建模組就是高電子遷移率電晶體(HEMT)，它由一塊基板上生長的各種GaN層構成。HEMT基本上是一種超高速、常開元件，像通過施加負閘偏壓即可關閉的電阻。