半導體行業(yè)在摩爾定律的“魔咒”下已經狂奔了50多年，隨著半導體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限，摩爾定律對半導體行業(yè)的加速度已經明顯放緩。除了進一步發(fā)展在摩爾定律下的制造工藝外，尋找硅（Si）以外新一代的半導體材料，也就成了一個重要方向。在這個過程中，氮化鎵（GaN）近年來作為一個高頻詞匯，進入了人們的視野。
GaN是一種新型的半導體材料，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）的半導體，也是一種寬禁帶半導體材料。與碳化硅（SiC）一起被成為“第三代半導體材料”，而第三代半導體材料正憑借其優(yōu)越的性能和巨大的市場前景，成為全球半導體市場爭奪的焦點。
為什么GaN技術得到了發(fā)展？
與GaN相比，實際上同為第三代半導體材料的SiC的應用研究起步更早，而之所以GaN近年來更為搶眼，主要的原因有兩點：第一，GaN在降低成本方面顯示出了更強的潛力，目前主流的GaN技術廠商都在研發(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器件是個平面器件，與現有的Si半導體工藝兼容性強，這使其更容易與其他半導體器件集成。
氮化鎵（GaN）具有更高的擊穿電壓(使用GaN時大于200V)，能夠承受高的輸入/輸出錯配(通常>15：1VSWR)，具有更高的結溫，平均無故障時間為一百萬個小時。此外，它還具有熱導率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性。
相較于傳統的硅基半導體，GaN能夠提供顯著的優(yōu)勢來支持功率應用，這些優(yōu)勢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元件的設計以支持更小的尺寸外觀。這與半導體行業(yè)一貫的“調性”是吻合的。
圖片來源：ON Semiconductor
根據Gartner繪制的GaN技術成熟度曲線，GaN目前處于技術成熟度曲線的第二個攀升階段，也就是說它的熱潮時間段已經過去，走出了泡沫化的低谷期，已經進入了穩(wěn)步爬升的光明期，現在正是GaN產品和技術發(fā)展的良機。
GaN首先從上世紀90年代開始在LED領域大放異彩，自20世紀初以來，GaN功率器件已經逐步商業(yè)化。2010年，第一個GaN功率器件由IR投入市場，自商用功率GaN器件首次發(fā)布以來，越來越多的企業(yè)進入該產業(yè)鏈。
GaN功率器件的優(yōu)勢
在功率器件中，相對于Si器件，GaN功率器件的性能具有明顯優(yōu)勢。首先，其轉換效率很高，GaN的禁帶寬度是硅的三倍，臨界擊穿電場是硅的十倍，因此同樣額定電壓的GaN功率器件的導通電阻比硅器件低1000倍左右，大大降低了開關的導通損耗。
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，因此可以使得整個電路的開關工作頻率從原來的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，從而提高了產品的功率密度，讓產品的體積可以做得更小，效率做得更高。同時，因為效率提高了，散熱也更好處理，有些產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，GaN制的產品更適合40～1200V的應用，特別是在600V/3KW能發(fā)揮最大優(yōu)勢，600/650V等級的GaN晶體管現在已經廣泛使用。因此，在伺服器、馬達驅動、UPS等領域，GaN可以挑戰(zhàn)傳統MOSFET或IGBT的地位。
2016年氮化鎵(GaN)功率元件產業(yè)規(guī)模約為1200萬美元，研究機構Yole Développemen研究顯示預計到2022年該市場將成長到4.6億美元，年復合成長率高達79%。
擁有GaN功率器件或輔助元器件業(yè)務的公司幾乎都享受著銷售業(yè)績每月增長的“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，但因為產品價格偏高，這是現在消費性電子產品未大量采用的主因。反而在衛(wèi)星、軍事這類對價格敏感度低的產業(yè)，GaN零組件對其有極大的吸引力。若未來成本能再大幅下降，市場需求就會爆發(fā)。
GaN在電源管理、發(fā)電和功率輸出方面具有明顯的技術優(yōu)勢。在600伏特左右電壓下，其在芯片面積、電路效率和開關頻率方面明顯優(yōu)于硅，這使電源產品更為輕薄、高效。并且，GaN充電器體積小、功率高、支持PD協議，有望在未來統一筆電和手機的充電器市場，市場前景廣闊。Yole預計2024年GaN電源市場產值將超過3.5億美元，年復合成長率達85%，當中，GaN快充是推動產業(yè)高成長的主要力量。
GaN或引發(fā)充電革命
隨著GaN技術獲得突破，成本得到控制，除了射頻微波領域，它還被廣泛應用到了消費類電子等領域，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、效率轉換上相比普通充電器也有更大的優(yōu)勢，大大的提升了用戶的使用體驗。
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27W的功率，吸足眼球。隨后，除了專門生產充電頭的廠商，不少消費電子廠商也盯上了GaN充電技術。去年10月發(fā)布的OPPO Reno Ace中，就標配了一個GaN充電器，可以實現65W的超級閃充，成為全球首款標配GaN充電器的手機。
上個月，在小米新品發(fā)布會上，小米也推出了一款體積小巧的充電器，采用了來自Navitas的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC，體積為56.3x30.8x30.8mm，官方表示是標準適配器尺寸的一半，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用引發(fā)了消費電子行業(yè)的關注。
就整個消費電子行業(yè)的情況來看，GaN已經在全球主流的消費電子廠商中得到了關注和投入，GaN也正在伴隨充電器快速爆發(fā)。今年一月，在美國舉辦的CES展會上，參展的GaN充電器已經多達66款，其中涵蓋了18W、30W、65W、100W等多個功率以及全新品類超級擴展塢，滿足手機、平板、筆電的全方位充電需求。綜合性能和成本兩個方面，GaN也有望在未來成為消費電子領域快充器件的主流選擇。
隨著用戶對充電器通用性、便攜性的需求提高，未來GaN快充市場規(guī)模將快速上升，預計2020年全球GaN充電器市場規(guī)模為23億元，2025年將快速上升至638億元，5年復合年均增長率高達94％。
值得一提的是，在這樣的市場趨勢下，一些重要的半導體行業(yè)也大舉切入到GaN市場。GaN不僅僅只在充電器領域，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、自動駕駛、軍用雷達等眾多功率和頻率有較高要求的場。
GaN的應用不僅僅止于充電領域
但在手機領域，GaN之所以越來越出名，絕不僅僅是因為快充，而是5G時代的到來。5G將帶來半導體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，因此基站及通信設備對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都可以占據一席之地，通吃5G的上下游產業(yè)鏈。
在此背景下，GaN的優(yōu)勢將逐步凸顯，使得GaN成為5G的關鍵技術。隨著今年5G手機的大規(guī)模推出和各國5G基站的鋪設，和現有的硅、砷化鎵的解決方案比起來，GaN則能提供更好的功率以及能耗比，也更能適用于5G時代的需求。
· 在5G的關鍵技術Massive MIMO應用中，基站收發(fā)信機上使用大數量（如32/64等）的陣列天線實現更大的無線數據流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發(fā)單元陣列配套。因此射頻器件的數量將大為增加，器件的尺寸大小很關鍵，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現高集化的解決方案，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量大為增加，基站密度和基站數量也會大為增加，因此相比3G、4G時代，5G時代的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數量增加，因此成本的控制非常關鍵，而硅基氮化鎵在成本上具有巨大的優(yōu)勢，隨著硅基氮化鎵技術的成熟，它能以最大的性價比優(yōu)勢取得市場的突破。
同時在5G毫米波應用上，GaN的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數及整體方案的尺寸，實現性能成本的最優(yōu)化組合。
圖片來源：Qorvo
讓人感到興奮并可瞥見未來的自動駕駛，也是GaN的應用領域。如果您仔細看，您會看到在車頂上安裝了用作車輛的“眼睛”的激光雷達（LiDAR）系統。LiDAR器件快速發(fā)射出控制光束，以及紀錄光束從一個物體上反射回來到傳感器的時間，并且可以確定這個物體的方向，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系統識別物體的能力或場景的分辨率將會更高。
GaN技術在LiDAR系統中發(fā)揮非常重要的作用，相較MOSFET器件而言，開關速度快十倍，使得LiDAR系統具備優(yōu)越的解像度及更快速反應時間等優(yōu)勢，由于可實現優(yōu)越的開關轉換，因此可推動更高準確性。這些性能推動全新及更廣闊的LiDAR應用領域的出現包括支持電玩應用的偵測實時動作、以手勢驅動指令的計算機及自動駕駛汽車等應用。
GaN在國防工業(yè)中的應用前景也很廣闊，美國的大型國防合約商雷神公司宣布將開始在新生產的Guidance Enhanced Missile-TBM（GEM-T）攔截器中使用GaN計算機芯片，以取代目前在導彈發(fā)射器中使用的行波管（TWT），希望通過使用GaN芯片升級GEM-T的發(fā)射器，提高攔截器的可靠性和效率。此外，在新生產導彈中過渡到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導彈是美國陸軍愛國者空中和導彈防御系統的支柱，于對付飛機和戰(zhàn)術彈道導彈和巡航導彈。發(fā)射器將導彈與地面系統連接起來，使其能夠在飛行過程中控制武器，GEM-T中的GaN發(fā)射器使用固態(tài)而不是傳統的行波管設計。
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運行。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行。這種發(fā)射器技術也可能會在其他導彈上看到其他測試。美國陸軍表示有興趣用這些類型的發(fā)射器取代整個庫存，在GEM-T計劃中采用這些發(fā)射器能夠將修復成本降低36％。
最后我們來看看，現在什么是氮化鎵（GaN）器件發(fā)展道路上的“攔路虎”呢？影響最大的就是：價格。回顧前兩代半導體的演進發(fā)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(zhàn)。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(guī)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。
