什么是氮化鎵(GaN)？GaN的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域

來(lái)源：內(nèi)容轉(zhuǎn)載自成電研究生科學(xué)普及，謝謝。

引言

GaN近期為何這么火？如果再有人這么問(wèn)你，你可以這樣回答：因?yàn)槲覀冸x不開(kāi)電源。

隨著科技進(jìn)步，社會(huì)發(fā)展，未來(lái)人類對(duì)電力能源的依賴和消耗將顯著增加。因此，發(fā)展高效率的功率開(kāi)關(guān)器件，降低電能在產(chǎn)生、傳輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)的損耗是社會(huì)經(jīng)濟(jì)向節(jié)能、環(huán)保、綠色發(fā)展轉(zhuǎn)變的必然趨勢(shì)。而GaN能夠突破Si理論極限，滿足功率半導(dǎo)體長(zhǎng)遠(yuǎn)追求更低功耗、更高功率密度的發(fā)展趨勢(shì)。

#1什么是氮化鎵（GaN）

GaN晶體結(jié)構(gòu)如圖1，它是一種非常堅(jiān)硬且在機(jī)械方面非常穩(wěn)定的寬帶隙半導(dǎo)體材料。作為代表性的第三代半導(dǎo)體材料，對(duì)它的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)。

圖1：GaN晶體結(jié)構(gòu)

表1

#2GaN優(yōu)勢(shì)

2.1 材料優(yōu)勢(shì)

GaN能夠把電子性能提升至另一個(gè)更高的水平，并使逐漸走向末端的摩爾定律復(fù)活。根據(jù)APEC會(huì)議上的半導(dǎo)體材料對(duì)比圖（圖2）可以清楚的得到GaN材料的優(yōu)勢(shì)，具體分析如圖3。

圖2：半導(dǎo)體材料性能對(duì)比

圖3：GaN材料優(yōu)勢(shì)

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(yīng)用研究較晚，市場(chǎng)層面技術(shù)尚未成熟，而GaN在幾個(gè)關(guān)鍵特性中都表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)臐B透力，可以向客戶提供目前半導(dǎo)體工藝材料可能無(wú)法企及的性能。

2.2 器件優(yōu)勢(shì)

GaN材料推動(dòng)具備更高性能的晶體管及集成電路的出現(xiàn)，目前，通過(guò) MBE技術(shù)，用GaN材料制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HFET）、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件，而這些GaN器件的各種優(yōu)勢(shì)包括：

?更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更低的傳導(dǎo)損耗

?更快速開(kāi)關(guān)的器件可以實(shí)現(xiàn)更低的開(kāi)關(guān)損耗

?更小的電容在對(duì)器件進(jìn)行充電及放電時(shí)，可實(shí)現(xiàn)更低的損耗

?需要更少的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)電路

?更細(xì)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(chǎng)應(yīng)用

各行各業(yè)如今都在追求“效率”“能效”，電源、功率相關(guān)的應(yīng)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(jí);包括數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車等諸多領(lǐng)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(gè)領(lǐng)域都具有重大潛力。

3.1 5G領(lǐng)域

射頻領(lǐng)域是GaN目前滲透率較高、未來(lái)發(fā)展前景大的產(chǎn)業(yè)，尤其是用于價(jià)格敏感度較低的基站建設(shè)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(shù)的推進(jìn)，GaN在整個(gè)基站所用半導(dǎo)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(yīng)用趨勢(shì)

3.2 電力電子領(lǐng)域

GaN電力電子領(lǐng)域主要增長(zhǎng)點(diǎn)在于快充和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。

在數(shù)據(jù)中心占全球能源使用量高達(dá)2％并預(yù)計(jì)會(huì)不斷增加形勢(shì)下，更高效能和更高功率密度理所當(dāng)然成為數(shù)據(jù)中心最為重要的需求。而使用基于GaN技術(shù)的更小電源允許在同一機(jī)架空間中添加更多的存儲(chǔ)和內(nèi)存，從而無(wú)需建設(shè)更多的數(shù)據(jù)中心即可增加數(shù)據(jù)中心的容量，帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。

隨著人們對(duì)快充需求的不斷增加，不少商家將快充作為賣點(diǎn)，但是使用傳統(tǒng)的功率開(kāi)關(guān)無(wú)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(fā)布的飛利浦充電器SPS2316G的尺寸達(dá)到毫米級(jí)，比傳統(tǒng)解決方案小75％，并且可以支持高達(dá)KW的直通功率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)手機(jī)大廠OPPO、小米、華為相繼發(fā)布氮化鎵快充，充電器配件廠商試水氮化鎵的行動(dòng)甚至要更早些。未來(lái)，GaN充電器市場(chǎng)即將迎來(lái)快速成長(zhǎng)期，將越來(lái)越發(fā)揮它的作用。

3.3 激光雷達(dá)領(lǐng)域

近年來(lái)，無(wú)人駕駛成為智能汽車領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)駕駛過(guò)程需要一個(gè)實(shí)時(shí)的、 高分辨率的周圍環(huán)境的三維地圖，以安全、有效、方便地駕駛。相比于傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)，激光雷達(dá)波長(zhǎng)更短，更好的時(shí)間分辨率，以及運(yùn)動(dòng)物體的空間分辨率，能夠在毫米到厘米尺度上進(jìn)行繪制。

由于探測(cè)的精確度主要受到激光雷達(dá)發(fā)出的脈沖波形脈寬的影響，而GaN高電子遷移率晶體管相對(duì)傳統(tǒng)硅基器件具有低得多的電容和導(dǎo)通電阻，使得其可以實(shí)現(xiàn)比硅基器件更高的開(kāi)關(guān)頻率，因此可以很大程度上提高激光雷達(dá)的分辨率,從而實(shí)現(xiàn)更安全的駕駛體驗(yàn)。

3.4 國(guó)防領(lǐng)域

GaN 在國(guó)防領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先，并將繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。在滿足許多國(guó)防應(yīng)用的高功率密度、高效率、寬帶寬和長(zhǎng)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(dá)和電子戰(zhàn) (EW) 系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)都需要大功率、小巧外形和高效散熱性能，與GaN的優(yōu)勢(shì)不謀而合。還有高功率的GaN射頻發(fā)射器件通過(guò)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(dá)系統(tǒng)。

#4結(jié)語(yǔ)

那么現(xiàn)在什么是氮化鎵（GaN）器件發(fā)展道路上的“攔路虎”呢？

價(jià)格。

回顧前兩代半導(dǎo)體的演進(jìn)發(fā)展過(guò)程，任何一代半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，都面臨商用化的挑戰(zhàn)。

目前GaN也處于這一階段，成本將會(huì)隨著市場(chǎng)需求量加速、大規(guī)模生產(chǎn)、工藝制程革新等，而走向平民化，而最終的市場(chǎng)也將會(huì)取代傳統(tǒng)的硅基功率器件。隨著第三代半導(dǎo)體的普及臨近，也讓我們有幸見(jiàn)證這一刻的到來(lái)。

審核編輯：湯梓紅