隨著電力電子、新能源、電動(dòng)汽車、5G通訊、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)和智能工業(yè)等領(lǐng)域的興起，對功率器件的性能提出了越來越高的要求。由于傳統(tǒng)硅（Si）器件已達(dá)到材料的物理極限，無法滿足當(dāng)前應(yīng)用場景的需求，尋找Si以外新一代的半導(dǎo)體材料變得至關(guān)重要。在這個(gè)過程中，氮化鎵（ GaN ）近年來作為一個(gè)高頻詞匯，進(jìn)入了人們的視野。源于其獨(dú)特的材料屬性，GaN具有寬帶隙、高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率和高飽和電子速度的優(yōu)秀性能。

GaN被稱為“終極半導(dǎo)體材料”，可以用于制造用途廣泛、性能強(qiáng)大的新一代微芯片，屬于所謂寬禁帶（wide-bandgap，氮化鎵的禁帶寬度是3.4 eV電子伏特）半導(dǎo)體之列，是研制高效率、高功率微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料。

相較于已經(jīng)發(fā)展多年的第一代半導(dǎo)體材料硅（Si）和第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs），GaN是后進(jìn)者，但它擁有更大的成本控制潛力和其他獨(dú)特優(yōu)勢，目前廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域、射頻電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域。根據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2026年GaN市場規(guī)模將達(dá)到11億美元。

01 電力電子領(lǐng)域應(yīng)用

電力電子領(lǐng)域具體應(yīng)用有智能電網(wǎng)、工業(yè)電機(jī)、新能源汽車、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，代表企業(yè)為英諾賽科、蘇州能訊等

02射頻電子領(lǐng)域應(yīng)用

射頻電子領(lǐng)域應(yīng)用包括衛(wèi)星通訊、移動(dòng)終端、國防軍工、無線通信基站，代表企業(yè)為英諾賽科、華潤微電子旗下的大連芯冠等

03光電子領(lǐng)域應(yīng)用

光電子領(lǐng)域應(yīng)用包括消菌殺毒、激光顯示、LED照明、LED顯示，代表企業(yè)為三安光電等

GaN在5G方面的應(yīng)用

5G通訊基站是氮化鎵市場主要驅(qū)動(dòng)因素之一，氮化鎵射頻器件主要應(yīng)用于無線通訊，占比達(dá)49%。氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是射頻應(yīng)用中常用的半導(dǎo)體材料。

與砷化鎵和磷化銦等高頻工藝相比，氮化鎵器件輸出的功率更大；與LDCMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）和SiC等功率工藝相比，氮化鎵的頻率特性更好。氮化鎵器件的瞬時(shí)帶寬更高，這一點(diǎn)很重要，載波聚合技術(shù)的使用以及準(zhǔn)備使用更高頻率的載波都是為了得到更大的帶寬。

與硅或者其他器件相比，氮化鎵速度更快，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。對于既定功率水平，GaN具有體積小的優(yōu)勢。有了更小的器件，就可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加輕松。射頻電路中的一個(gè)關(guān)鍵組成是PA（功率放大器）。

功率放大器主要由砷化鎵功率放大器和互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體功率放大器（CMOS PA）組成，其中又以GaAs PA為主流，但隨著5G的到來，砷化鎵器件無法滿足在如此高的頻率下保持高集成度。于是，GaN成為下一個(gè)熱點(diǎn)。氮化鎵作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，可承受更高的工作電壓，意味著其功率密度及可工作溫度更高，因而具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點(diǎn)。

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）的陣列天線來實(shí)現(xiàn)了更大的無線數(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。

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。

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)量也會大為增加，因此相比3G、4G時(shí)代，5G時(shí)代的射頻器件將會以幾十倍、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，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)勢取得市場的突破。

GaN在快充市場的應(yīng)用

隨著電子產(chǎn)品的屏幕越來越大，充電器的功率也隨之增大，尤其是對于大功率的快充充電器，使用傳統(tǒng)的功率開關(guān)無法改變充電器的現(xiàn)狀。

而GaN技術(shù)可以做到，因?yàn)樗悄壳叭蜃羁斓墓β书_關(guān)器件，并且可以在高速開關(guān)的情況下仍保持高效率水平，能夠應(yīng)用于更小的元件，應(yīng)用于充電器時(shí)可以有效縮小產(chǎn)品尺寸，比如使目前的典型45W適配器設(shè)計(jì)可以采用25W或更小的外形設(shè)計(jì)。

氮化鎵充電器可謂吸引了全球眼球，高速高頻高效讓大功率USB PD充電器不再是魁梧磚塊，小巧的體積一樣可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，比APPLE原廠30W充電器更小更輕便。

將內(nèi)置氮化鎵充電器與傳統(tǒng)充電器并排放在一起看看，內(nèi)置氮化鎵充電器輸出功率達(dá)到27W，APPLE USB-C充電器輸出功率30W，兩者功率相差不大，但體積上卻是完全不同的級別，內(nèi)置氮化鎵充電器比蘋果充電器體積小40%。

GaN在無人駕駛技術(shù)中的應(yīng)用

激光雷達(dá)（LiDAR）使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或?yàn)橹車h(huán)境制作電子地圖。氮化鎵場效應(yīng)晶體管相較MOSFET器件而言，開關(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，由于可實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的開關(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)用的偵測實(shí)時(shí)動(dòng)作、以手勢驅(qū)動(dòng)指令的計(jì)算機(jī)及自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用。

與傳統(tǒng)充電器相比，相同功率下的氮化鎵充電器體積更小，質(zhì)量更輕，攜帶便利。氮化鎵充電器充電功率大，充電速度快，可滿足多臺設(shè)備同時(shí)充電的場景需求，且價(jià)格相對便宜。因此，氮化鎵充電器在消費(fèi)電子快充領(lǐng)域市場需求量大。

在大力研發(fā)和推進(jìn)自動(dòng)化汽車普及過程中，汽車廠商和科技企業(yè)都在尋覓傳感器和攝像頭之間的最佳搭配組合，有效控制成本且可以大批量生產(chǎn)的前提下，最大限度的提升對周圍環(huán)境的感知和視覺能力。

氮化鎵的傳輸速度明顯更快，是目前激光雷達(dá)應(yīng)用中硅元素的100 甚至1000 倍。這樣的速度意味著拍攝照片的速度，照片的銳度以及精準(zhǔn)度。

讓我們描述道路前方的事物和變道的顏色預(yù)警。激光雷達(dá)能檢測前方路段是否有障礙物存在。通過激光雷達(dá)你能夠更全面地了解地形變化，一些你無法看到的地形。而單純的使用攝像頭或者雷達(dá)都無法勝任這項(xiàng)工作，因?yàn)閮烧吒髯陨砩隙加卸贪搴筒蛔恪?/p>

GaN在電動(dòng)汽車中的技術(shù)應(yīng)用

早在2020年，GaN Systems展示了一款采用太陽能電池的全氮化鎵汽車，證明了氮化鎵在功率轉(zhuǎn)換方面的可行性，也證明了氮化鎵在汽車上也有很大的應(yīng)用前景。比如電動(dòng)汽車的AS1531車載充電器(OBC)，使用GaN器件，可以將尺寸降低到原來的五分之一，充電效率可以達(dá)到98%，散熱結(jié)構(gòu)也可以降低。GaN器件在DC/DC上的顯著提升是功率密度大大提高，可以從1kw/L提升到2kw/L。

另一方面，目前電動(dòng)汽車的高端車型正逐漸向800V以上的高壓平臺推廣，但氮化鎵可以繼續(xù)提高原有800V以下平臺的效率。未來中低端汽車市場將有很大的發(fā)展空間。此外，目前碳化硅應(yīng)用的主要問題是碳化硅襯底難以生長，產(chǎn)量低導(dǎo)致成本高。氮化鎵功率裝置可以生長在硅襯底上，即硅基氮化鎵器件，大多采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，因此氮化鎵在成本、生產(chǎn)能力和供應(yīng)方面比碳化硅具有一定的優(yōu)勢。

目前，氮化鎵正展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。作為第三代半導(dǎo)體新技術(shù)，也是全球各國爭相角逐的市場，并且市面上已經(jīng)形成了多股氮化鎵代表勢力。目前氮化鎵在半導(dǎo)體行業(yè)中滲透率較低，未來發(fā)展空間巨大，也將應(yīng)用在更多場景中。

(來源：安納芯半導(dǎo)體)