關于5G應用的關鍵材料

承上啟下的寬禁帶半導體材料

GaN 材料與 Si/SiC 相比有獨特優(yōu)勢。GaN 與 SiC 同屬于第三代寬禁帶 半導體材料，相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的 SiC，GaN 功率器件是后進者， 它擁有類似 SiC 性能優(yōu)勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力。 與傳統(tǒng) Si 材料相比，基于 GaN 材料制備的功率器件擁有更高的功率密 度輸出，以及更高的能量轉換效率，并可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

GaN 是極穩(wěn)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。

GaN 器件逐步步入成熟階段?；?GaN 的 LED 自上世紀 90 年代開始大放異彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世紀初以來，GaN 功率器件已 經(jīng)逐步商業(yè)化。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(jīng)成為 GaN 器件主流。2014 年，行業(yè)首 次在 8 英寸 SiC 上生長 GaN 器件。

隨著成本降低，GaN 市場空間持續(xù)放大。GaN 與 SiC、Si 材料各有其 優(yōu)勢領域，但是也有重疊的地方。GaN 材料電子飽和漂移速率最高，適 合高頻率應用場景，但是在高壓高功率場景不如 SiC；隨著成本的下降， GaN 有望在中低功率領域替代二極管、IGBT、MOSFET 等硅基功率器 件。以電壓來分，0~300V 是 Si 材料占據(jù)優(yōu)勢，600V 以上是 SiC 占據(jù) 優(yōu)勢，300V~600V 之間則是 GaN 材料的優(yōu)勢領域。根據(jù) Yole 估計，在 0~900V 的低壓市場，GaN 都有較大的應用潛力，這一塊占據(jù)整個功率 市場約 68%的比重，按照整體市場 154 億元來看，GaN 潛在市場超 過 100 億美元。

GaN 是 5G 應用的關鍵技術。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，基站和通信設備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN 的優(yōu)勢將逐步凸顯，這正是前一節(jié)討論的地方。正是這一優(yōu)勢，使得 GaN 成為 5G 的關鍵技術。

在 Massive MIMO 應用中，基站收發(fā)信機上使用大數(shù)量（如 32/64 等） 的陣列天線來實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)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，因此器件的數(shù)量將大為增加，使得 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(xiàn)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(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 時代，5G 時代的射頻器件將會以幾十倍、 甚至上百倍的數(shù)量增加。在 5G 毫米波應用上，GaN 的高功率密度特性 在實現(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。

審核編輯：湯梓紅