什么是氮化镓(GaN)？GaN的优势和应用领域

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引言

GaN近期为何这么火？如果再有人这么问你，你可以这样回答：因为我们离不开电源。

随着科技进步，社会发展，未来人类对电力能源的依赖和消耗将显著增加。因此，发展高效率的功率开关器件，降低电能在产生、传输等各环节的损耗是社会经济向节能、环保、绿色发展转变的必然趋势。而GaN能够突破Si理论极限，满足功率半导体长远追求更低功耗、更高功率密度的发展趋势。

#1什么是氮化镓（GaN）

GaN晶体结构如图1，它是一种非常坚硬且在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料。作为代表性的第三代半导体材料，对它的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。

图1：GaN晶体结构

表1

#2GaN优势

2.1 材料优势

GaN能够把电子性能提升至另一个更高的水平，并使逐渐走向末端的摩尔定律复活。根据APEC会议上的半导体材料对比图（图2）可以清楚的得到GaN材料的优势，具体分析如图3。

图2：半导体材料性能对比

图3：GaN材料优势

其次，图中虽然可以看出GaN在某些特性方面虽然有很大的提升，但是其应用研究较晚，市场层面技术尚未成熟，而GaN在几个关键特性中都表现出了相当的渗透力，可以向客户提供目前半导体工艺材料可能无法企及的性能。

2.2 器件优势

GaN材料推动具备更高性能的晶体管及集成电路的出现，目前，通过 MBE技术，用GaN材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管（HFET）、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件，而这些GaN器件的各种优势包括：

•更低的导通电阻，从而实现更低的传导损耗

•更快速开关的器件可以实现更低的开关损耗

•更小的电容在对器件进行充电及放电时，可实现更低的损耗

•需要更少的功率来驱动电路

•更细小的器件可以减小解决方案于印刷电路板上的占板面积

•更低的成本

#3GaN市场应用

各行各业如今都在追求“效率”“能效”，电源、功率相关的应用上，更高的效率意味着更高的功率密度：包括追求体积更小的解决方案，并确保所需的功率级;包括数据中心、电动汽车等诸多领域，都有这样的需求。这些需求自然也推升了GaN材料的突破，使其在多个领域都具有重大潜力。

3.1 5G领域

射频领域是GaN目前渗透率较高、未来发展前景大的产业，尤其是用于价格敏感度较低的基站建设和改造。由于GaN材料的散热特性、功率特性能够较好满足5G基站要求，且随着GaN器件成本的下降和工艺的成熟，GaN材料有望成为基站PA主流材料。

随着5G新技术的推进，GaN在整个基站所用半导体器件的比重也不断提升，如图4所示。

图4：GaN在通信基站中的应用趋势

3.2 电力电子领域

GaN电力电子领域主要增长点在于快充和数据中心领域。

在数据中心占全球能源使用量高达2％并预计会不断增加形势下，更高效能和更高功率密度理所当然成为数据中心最为重要的需求。而使用基于GaN技术的更小电源允许在同一机架空间中添加更多的存储和内存，从而无需建设更多的数据中心即可增加数据中心的容量，带来显著经济效益。

随着人们对快充需求的不断增加，不少商家将快充作为卖点，但是使用传统的功率开关无法满足人们的需求。而使用GaN功率器件，可以使适配器和充电器更轻巧。20年发布的飞利浦充电器SPS2316G的尺寸达到毫米级，比传统解决方案小75％，并且可以支持高达KW的直通功率。近年来，国内手机大厂OPPO、小米、华为相继发布氮化镓快充，充电器配件厂商试水氮化镓的行动甚至要更早些。未来，GaN充电器市场即将迎来快速成长期，将越来越发挥它的作用。

3.3 激光雷达领域

近年来，无人驾驶成为智能汽车领域的重要环节，自动驾驶过程需要一个实时的、 高分辨率的周围环境的三维地图，以安全、有效、方便地驾驶。相比于传统的雷达技术，激光雷达波长更短，更好的时间分辨率，以及运动物体的空间分辨率，能够在毫米到厘米尺度上进行绘制。

由于探测的精确度主要受到激光雷达发出的脉冲波形脉宽的影响，而GaN高电子迁移率晶体管相对传统硅基器件具有低得多的电容和导通电阻，使得其可以实现比硅基器件更高的开关频率，因此可以很大程度上提高激光雷达的分辨率,从而实现更安全的驾驶体验。

3.4 国防领域

GaN 在国防领域一直处于领先，并将继续保持领先地位。在满足许多国防应用的高功率密度、高效率、宽带宽和长使用寿命需求方面，GaN 可提供有效的解决方案，如有源电子扫描阵列 (AESA) 雷达和电子战 (EW) 系统，这两种系统都需要大功率、小巧外形和高效散热性能，与GaN的优势不谋而合。还有高功率的GaN射频发射器件通过给敌方人为制造更大背景噪音，可以干扰和迷惑敌方的雷达系统。

#4结语

那么现在什么是氮化镓（GaN）器件发展道路上的“拦路虎”呢？

价格。

回顾前两代半导体的演进发展过程，任何一代半导体技术从实验室走向市场，都面临商用化的挑战。

目前GaN也处于这一阶段，成本将会随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程革新等，而走向平民化，而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。随着第三代半导体的普及临近，也让我们有幸见证这一刻的到来。

审核编辑：汤梓红