來源：內容轉載自成電研究生科學普及，謝謝。

引言

GaN近期為何這么火？如果再有人這么問你，你可以這樣回答：因為我們離不開電源。

隨著科技進步，社會發展，未來人類對電力能源的依賴和消耗將顯著增加。因此，發展高效率的功率開關器件，降低電能在產生、傳輸等各環節的損耗是社會經濟向節能、環保、綠色發展轉變的必然趨勢。而GaN能夠突破Si理論極限，滿足功率半導體長遠追求更低功耗、更高功率密度的發展趨勢。

#1什么是氮化鎵（GaN）

GaN晶體結構如圖1，它是一種非常堅硬且在機械方面非常穩定的寬帶隙半導體材料。作為代表性的第三代半導體材料，對它的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點。

圖1：GaN晶體結構

表1

#2GaN優勢

2.1 材料優勢

GaN能夠把電子性能提升至另一個更高的水平，并使逐漸走向末端的摩爾定律復活。根據APEC會議上的半導體材料對比圖（圖2）可以清楚的得到GaN材料的優勢，具體分析如圖3。

圖2：半導體材料性能對比

圖3：GaN材料優勢

其次，圖中雖然可以看出GaN在某些特性方面雖然有很大的提升，但是其應用研究較晚，市場層面技術尚未成熟，而GaN在幾個關鍵特性中都表現出了相當的滲透力，可以向客戶提供目前半導體工藝材料可能無法企及的性能。

2.2 器件優勢

GaN材料推動具備更高性能的晶體管及集成電路的出現，目前，通過 MBE技術，用GaN材料制備出了金屬場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管（HFET）、調制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件，而這些GaN器件的各種優勢包括：

?更低的導通電阻，從而實現更低的傳導損耗

?更快速開關的器件可以實現更低的開關損耗

?更小的電容在對器件進行充電及放電時，可實現更低的損耗

?需要更少的功率來驅動電路

?更細小的器件可以減小解決方案于印刷電路板上的占板面積

?更低的成本

#3GaN市場應用

各行各業如今都在追求“效率”“能效”，電源、功率相關的應用上，更高的效率意味著更高的功率密度：包括追求體積更小的解決方案，并確保所需的功率級;包括數據中心、電動汽車等諸多領域，都有這樣的需求。這些需求自然也推升了GaN材料的突破，使其在多個領域都具有重大潛力。

3.1 5G領域

射頻領域是GaN目前滲透率較高、未來發展前景大的產業，尤其是用于價格敏感度較低的基站建設和改造。由于GaN材料的散熱特性、功率特性能夠較好滿足5G基站要求，且隨著GaN器件成本的下降和工藝的成熟，GaN材料有望成為基站PA主流材料。

隨著5G新技術的推進，GaN在整個基站所用半導體器件的比重也不斷提升，如圖4所示。

圖4：GaN在通信基站中的應用趨勢

3.2 電力電子領域

GaN電力電子領域主要增長點在于快充和數據中心領域。

在數據中心占全球能源使用量高達2％并預計會不斷增加形勢下，更高效能和更高功率密度理所當然成為數據中心最為重要的需求。而使用基于GaN技術的更小電源允許在同一機架空間中添加更多的存儲和內存，從而無需建設更多的數據中心即可增加數據中心的容量，帶來顯著經濟效益。

隨著人們對快充需求的不斷增加，不少商家將快充作為賣點，但是使用傳統的功率開關無法滿足人們的需求。而使用GaN功率器件，可以使適配器和充電器更輕巧。20年發布的飛利浦充電器SPS2316G的尺寸達到毫米級，比傳統解決方案小75％，并且可以支持高達KW的直通功率。近年來，國內手機大廠OPPO、小米、華為相繼發布氮化鎵快充，充電器配件廠商試水氮化鎵的行動甚至要更早些。未來，GaN充電器市場即將迎來快速成長期，將越來越發揮它的作用。

3.3 激光雷達領域

近年來，無人駕駛成為智能汽車領域的重要環節，自動駕駛過程需要一個實時的、 高分辨率的周圍環境的三維地圖，以安全、有效、方便地駕駛。相比于傳統的雷達技術，激光雷達波長更短，更好的時間分辨率，以及運動物體的空間分辨率，能夠在毫米到厘米尺度上進行繪制。

由于探測的精確度主要受到激光雷達發出的脈沖波形脈寬的影響，而GaN高電子遷移率晶體管相對傳統硅基器件具有低得多的電容和導通電阻，使得其可以實現比硅基器件更高的開關頻率，因此可以很大程度上提高激光雷達的分辨率,從而實現更安全的駕駛體驗。

3.4 國防領域

GaN 在國防領域一直處于領先，并將繼續保持領先地位。在滿足許多國防應用的高功率密度、高效率、寬帶寬和長使用壽命需求方面，GaN 可提供有效的解決方案，如有源電子掃描陣列 (AESA) 雷達和電子戰 (EW) 系統，這兩種系統都需要大功率、小巧外形和高效散熱性能，與GaN的優勢不謀而合。還有高功率的GaN射頻發射器件通過給敵方人為制造更大背景噪音，可以干擾和迷惑敵方的雷達系統。

#4結語

那么現在什么是氮化鎵（GaN）器件發展道路上的“攔路虎”呢？

價格。

回顧前兩代半導體的演進發展過程，任何一代半導體技術從實驗室走向市場，都面臨商用化的挑戰。

目前GaN也處于這一階段，成本將會隨著市場需求量加速、大規模生產、工藝制程革新等，而走向平民化，而最終的市場也將會取代傳統的硅基功率器件。隨著第三代半導體的普及臨近，也讓我們有幸見證這一刻的到來。

審核編輯：湯梓紅