探析阻礙氮化鎵器件發(fā)展的不利因素

半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的“魔咒”下已經(jīng)狂奔了50多年，一路上挾風(fēng)帶雨，好不風(fēng)光。不過隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限，摩爾定律對半導(dǎo)體行業(yè)的加速度已經(jīng)明顯放緩。

未來半導(dǎo)體技術(shù)的提升，除了進(jìn)一步榨取摩爾定律在制造工藝上最后一點(diǎn)“剩余價(jià)值”外，尋找硅（Si）以外新一代的半導(dǎo)體材料，也就成了一個(gè)重要方向。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。

GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比，其在特性上優(yōu)勢突出。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利與提升器件整體的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。

因此，利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導(dǎo)體器件，這與半導(dǎo)體行業(yè)一貫的“調(diào)性”是吻合的。

與GaN相比，實(shí)際上同為第三代半導(dǎo)體材料的SiC的應(yīng)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(diǎn)。

首先，GaN在降低成本方面顯示出了更強(qiáng)的潛力。目前主流的GaN技術(shù)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。有分析預(yù)測到2019年GaN MOSFET的成本將與傳統(tǒng)的Si器件相當(dāng)，屆時(shí)很可能出現(xiàn)一個(gè)市場拐點(diǎn)。并且該技術(shù)對于供應(yīng)商來說是一個(gè)有吸引力的市場機(jī)會(huì)，它可以向它們的客戶提供目前半導(dǎo)體工藝材料可能無法企及的性能。

其次，由于GaN器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。比如有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開關(guān)管的集成，進(jìn)一步降低用戶的使用門檻。

正是基于GaN的上述特性，越來越多的人看好其發(fā)展的后勢。特別是在幾個(gè)關(guān)鍵市場中，GaN都表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)臐B透力。

1.GaN在5G方面的應(yīng)用

射頻氮化鎵技術(shù)是5G的絕配，基站功放使用氮化鎵。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和碳化硅（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。GaN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（Power Amplifier，功率放大器）。

從目前的應(yīng)用上看，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，砷化鎵器件將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)。

高通公司總裁 Cristiano Amon 在2018 高通 4G / 5G 峰會(huì)上表示：預(yù)計(jì)明年上半年和年底圣誕新年檔期將會(huì)是兩波 5G 手機(jī)上市潮，首批商用 5G 手機(jī)即將登場。據(jù)介紹，5G 技術(shù)預(yù)計(jì)將提供比目前的 4G 網(wǎng)絡(luò)快 10 至 100 倍的速度，達(dá)到每秒千兆的級別，同時(shí)能夠更為有效地降低延遲。

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(huì)大為增加，因此相比3G、4G時(shí)代，5G時(shí)代的射頻器件將會(huì)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。

2.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%。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2018年10月23日，市面上支持USB PD快充的手機(jī)達(dá)到52款，幾乎所有主流的手機(jī)廠商都已將USB PD快充協(xié)議納入到了手機(jī)的充電配置，其中不乏蘋果、華為、小米、三星等一線大廠品牌。

從各大手機(jī)廠商和芯片原廠的布局來看，USB PD快充將成為目前手機(jī)、游戲機(jī)、筆記本電腦等電子設(shè)備的首選充電方案，而USB Type-C也將成為下一個(gè)十年電子設(shè)備之間電力與數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ?a target="_blank">接口，USB PD快充協(xié)議大一統(tǒng)的局面即將到來。

3.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。

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>

4.GaN在國防工業(yè)中的應(yīng)用

雷神宣布將開始在新生產(chǎn)的Guidance Enhanced Missile-TBM（GEM-T）攔截器中使用氮化鎵（GaN）計(jì)算機(jī)芯片，以取代目前在導(dǎo)彈發(fā)射器中使用的行波管（TWT）。雷神希望通過使用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(chǎn)導(dǎo)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(dǎo)彈是美國陸軍愛國者空中和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的支柱，用于對付飛機(jī)和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈。近些年來，雷神一直致力于推動(dòng)GaN功率和效率向更高極限發(fā)展。

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(nèi)運(yùn)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(yùn)行。

這種發(fā)射器技術(shù)也可能會(huì)在其他導(dǎo)彈上看到其他測試。陸軍表示有興趣用這些類型的發(fā)射器取代整個(gè)庫存，在GEM-T計(jì)劃中采用這些發(fā)射器能夠?qū)⑿迯?fù)成本降低36％。

目前，氮化鎵已經(jīng)擁有了足夠廣闊的應(yīng)用空間。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，其中第一梯隊(duì)有英諾賽科、納微、EPC等代表企業(yè)。其中英諾賽科是目前全球首家采用8英寸增強(qiáng)型硅氮化鎵外延與芯片大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)，也是躋身氮化鎵產(chǎn)業(yè)第一梯隊(duì)的國產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)代表。