【氮化镓专栏】5G助力下 ，氮化镓（GaN）是否会成为下一个市场追逐的风口？
由于2 月13 日小米在新品发表会中 ，除了推出小米10 系列外 ，更宣布采用氮化镓(GaN) 作为原料的充电器，一时间原本GaN 在射频领域热烧的话题 ，快速延烧至电池产业。
随着消费电子产品、电动车、家用电器等产品更新换代，产品的性能也越来越受重视，尤其是在功率设计方面 。如何提升电源转换能效，提高功率密度水平，延长电池续航时间 ，成为了新一代电子产品面临的最大挑战 。
在这样的背景下，一种新型的功率半导体——氮化镓（GaN）的出现 ，或许会成为未来电子产业的“香饽饽”。
一 、蛰伏20年的第三代半导体材料GaN
上个月刚结束的小米10发布会上 ，和小米10一同火起来的 ，还有小米创始人雷军着重介绍额65W小米GaN充电器 。雷军夸其为“实在太方便了 ！”新品火起来的同时 ，还引起投资人对于第三代半导体的广泛关注 。
了解GaN之前，首先大奖18dj18官网要弄清楚关于半导体材料的一些知识 。
半导体材料历经 3 个发展阶段，第一代是硅 (Si)、锗 (Ge) 等基础功能材料 ；第二代开始进入由 2 种以上元素组成的化合物半导体材料，以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等为代表 ；第三代则是氮化镓 (GaN) 、碳化硅 (SiC) 等宽频化合物半导体材料 。
目前全球绝大多数半导体元件，都是以硅作为基础功能材料的硅基半导体 ，不过 ，在高电压功率元件应用上，硅基元件因导通电阻过大 ，往往造成电能大量损耗 ，且在高频工作环境下 ，硅元件的切换频率相对较低，性能不如宽频化合物半导体材料。
硅基半导体受限硅材料的物理性质 ，而氮化镓 、碳化硅则因导通电阻远小于硅基材料，导通损失 、切换损失降低，可带来更高的能源转换效率 。挟著高频 、高压等优势，加上导电性 、散热性佳 ，元件体积也较小 ，适合功率半导体应用 ，近来在 5G、电动车等需求推升下 ，氮化镓等材料崛起成为半导体材料明日之星 。
不过，其实氮化镓材料广为人知，是始于 LED 领域 ，1993 年时，日本日亚化学的中村修二成功以氮化镓和氮化铟镓 (InGaN) ，开发出具高亮度的蓝光 LED ，人类也因此凑齐可发出三原色光的 LED 。梳理具体详情如下：
第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）等元素的材料 ，常用在信息技术中的分立器件和集成电路中，电脑 、手机 、电视、航空航天、各类军事工程等产业中都得到了极为广泛的应用 。
第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料 ，如砷化镓（GaAs） 、锑化铟（InSb） ；三元化合物半导体 ，如GaAsAl 、GaAsP ；还有一些固溶体半导体 ，如Ge－Si 、GaAs－GaP ；玻璃半导体（又称非晶态半导体） ，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；以及有机半导体 ，如酞菁 、酞菁铜 、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高频 、大功率以及发光电子器件 ，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料 。
第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO） 、金刚石 、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料 。在应用方面，根据第三代半导体的发展情况 ，其主要应用为半导体照明、电力电子器件 、激光器和探测器、以及其他4个领域 。在本文中重点介绍的GaN，并不存在于自然界 ，只能在实验室中制成 。具有带隙宽 、原子键强 、导热率高 、化学性能稳定 、抗辐照能力强 、结构类似纤锌矿、硬度很高等特点，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用等方面有着广阔的应用前景 。
在1998年 ，美国研制出GaN晶体管 ，资料显示 ，GaN在室温下带隙为3．49eV（电子伏特）。一般来说 ，带隙就是指禁带宽度 ，是半导体材料的一个重要特征参量 ，其大小主要决定于半导体的能带结构 。
若禁带宽度Eg＜ 2．3eV ，则称为窄禁带半导体 ，如Ge、Si、GaAs以及InP；若禁带宽度Eg＞2．3eV则称为宽禁带半导体 ，如SiC 、GaN 、HSiC 、AlN以及ALGaN等。
由于宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大 、介电常数小 、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点 ，非常适合于制作抗辐射、高频 、大功率和高密度集成的电子器件。
以GaN为例，熔点高达1700℃ 。有人曾做过实验 ，在一般高温情况下，GaN不会发生分解反应，只有将其放置于氮气或氦气中且温度超过1000℃时GaN才会慢慢挥发 ，证明GaN可以在较高的温度下保持其稳定性 。这也是为什么GaN能被广泛运用在大功率半导体中的原因。
二 、GaN产业链及市场规模
与SiC产业链类似，GaN产业链可依次分为GaN衬底→GaN外延→器件设计→器件制造 。从国内外GaN产业发展来看，美国 、日本成为GaN产业发展的佼佼者，中国企业入局者则为数不多。
因为材料特性的差异，硅在高于1200V 的高电压 、大功率具有优势 ，而GaN 制的产品更适合40～1200V 的应用 ，特别是在600V/3KW 能发挥最大优势 。因此，在伺服器 、马达驱动、UPS 等领域 ，GaN 可以挑战传统MOSFET 或IGBT 的地位 。
Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元 ，CAGR达85% ，当中 ，GaN快充是推动产业高成长的主要力量 。此外 ，GaN还有望渗透进入汽车及工业和电信电源应用中 。
从生产端来看，GaN 功率半导体已开始少量出货，但由于其价格过于昂贵 ，是影响现阶段发展受限的主要因素。价格不亲民是因为目前GaN 制芯片仍以6 吋及以下的晶圆厂生产为主 ，尚未显现规模效应，若未来成本能再大幅下降 ，市场需求就会爆发 。
在GaN功率领域中，市场主要由Infi neo n 、EPC、GaN Systems、Transphorm，及Navitas等公司主导，其产品是由TSMC ，Episil 、X-FAB进行代工 。中国新兴代工厂中，三安光电和海特高新具有量产GaN功率零组件的能力 。
虽然GaN 有着许多优势，但因为产品价格偏高 ，这是现在消费性电子产品未大量采用的主因 。反而在卫星 、军事这类对价格敏感度低的产业 ，GaN 零组件对其有极大的吸引力 。
不过，从意法半导体与台积电之间的合作可以看出，在5G 世代中 ，GaN 已经是不可缺少的重要原料 ，特别是在车电领域(与手机等消费性电子相比 ，价格敏感度低) ，将是国际大厂抢进重点领域之一 。
非常值得一提的是，在射频领域，氮化镓射频器件适合高频高功率场景 ，是5G时代的绝佳产品 ，将替代Si基芯片，应用在5G基站、卫星通信 、军用雷达等场景。
在政治局会议多次点名之下 ，5G基站的建设迎来高峰 ，相应的各种射频器件、芯片数量和质量都在提升 ，市场需求旺盛 。氮化镓工艺正在逐步占领市场 ，已经势不可挡 。拓璞产业研究院预计到2023年基站端GaN射频器件规模达到顶峰，达到112．6亿元。
再加上卫星通信、军用雷达的市场 ，据预测GaN射频市场将从2018年的6．45亿美元增长到2024年的约20亿美元 。
三 、GaN产业应用前景
GaN 目前主要的应用就在微波射频、电力两大领域 。具体而言 ，微波射频包含5G 通讯 、雷达预警 、卫星通讯等应用 ；电力则包含智慧电网、高速轨道交通 、新能源汽车 、消费电子等 。
快充产品领域 ：GaN材料应用范围广泛 ，最为人熟知的就是在快充产品领域。最初快充出现的时候还并不被大伙所看好 ，总感觉这么短时间内充满一块电池 ，担心电池爆炸 。随着快充逐渐升级为超级快充，充电时间越来越短 ，对于电池安全的隐忧虽然没有彻底放下，但人们也越来越愿意接受 。
新型的GaN快充与传统快充相比 ，由于GaN的材料特性能提供更高的能量转化效率 ，降低了功耗 ，减小了充电时的发热问题；GaN充电器拥有更大的功率密度，能够实现更快的充电速度 ；此外 ，GaN充电器功率器件的开关频率显著高于传统快充中的Si功率器件，因此可以实现体积更小的充电器产品设计。
今年2月 ，小米发布新品，其中65W GaN充电器成为一大亮点 。
这款充电器易散热、充电快（比iphoness原装快50％ ，从0到100％的电量只需45分钟）、体积小（比常规充电器小了50％） ，且售价只要149元，性价比较高 。3天预约就超5万 ，一时间 ，这一黑科技产品站上了风口 ，氮化镓也因此引发市场的强烈关注。
不过这并不是第一款氮化镓充电器 ，早在去年四季度 ，OPPO就发布了全球首款65W GaN充电器。两家大厂相继布局，意味着技术已经进一步成熟 。
而且 ，氮化镓充电器并不仅仅用于手机充电。更小 、更便捷的GaN充电器是解放笔记本的一大利器。未来，笔记本 、新能源车或许都会用到氮化镓充电器。
电动汽车、光伏等功率半导体领域：目前电动汽车 、光伏、智能电网等领域使用的IGBT是硅基材料，如果未来氮化镓技术取得突破 ，从而渗透进IGBT半导体领域 ，那么将进一步打开氮化镓市场的天花板 。
照明领域：半导体照明是目前国内外非常受人瞩目的一种新型的高效、节能和环保光源，它将取代大部分传统光源 ，又被称为21世纪的能源革命．GaN能和NIn、NAl相互掺杂改变III族元素的比例 ，从而能使其发光波长覆盖从红光到紫外光的范围，由此达到更高效率 、高亮度的光源方面的应用。
电力 ：在600 伏特左右电压下，GaN 在电源管理 、发电和功率输出方面具有明显的优势 ，这使GaN 材料的电源产品可更为轻薄、高效率 ，且GaN 充电插头体积小 、功率高、支援PD 协定 ，有机会在未来统一NB 和手机的充电器市场 。
射频领域 ：
GaN 的射频零组件具有高频、高功率 、较宽频宽、低功耗、小尺寸的特点，能有效在5G 世代中节省PCB 的空间，特别是手机内部空间上 ，且能达到良好的功耗控制 。
在5G产品中 ，GaN主要应用在Sub-6GHz基地台和毫米波(24GHz以上)的小基地站 。Yole预估GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元成长2024年的20亿美元 ，CAGR达21% ，这主要受电信基础设施及国防两大领域所推动 ，而卫星通信、有线宽频和射频也有一定的贡献 。
在要求高频高功率输出的卫星通讯中，市场预估GaN 将逐渐取代GaAs 成为新的解决方案。而在有线电视和民用雷达市场与LDMOS 或GaAs 材料相比 ，GaN 的成本仍高，短期内大量取代的情况不易见 。
在GaN 射频领域主要由美、日两国企业主导 ，其中，以美商Cree 居首 ，住友电工、东芝 、富士通等日商紧追在后 ，中国厂如三安光电、海特高新 、华进创威在此领域虽有着墨，但与国际大厂相比技术差距大 。
5G射频领域重点发力 ：
随着5G技术的爆发，相关产业对射频功率 、功耗的要求进一步提升 ，GaN将逐渐取代Si材料。在相控阵雷达 、电子对抗战、精确制导等军事化场景中 ，GaN的运用也越来越广泛 。
市场研究和战略咨询公司Yole曾经表示，2018年GaN射频器件市场规模达到4．57亿美元 ，未来5年复合增长率超过23％ 。在整个射频应用市场，GaN器件的市场份额将逐渐提高。长期来看 ，在宏基站和回传领域 ，凭借高频高功率的性能优势，GaN将逐渐取代LDMOS和GaAs从而占据主导位 。
GaN 是极为稳定的化合物，又是坚硬和熔点高的材料，其熔点为高达1700℃ 。同时 ，GaN 有较高的电子密度和电子速度，其高电离度 ，也是在三五族化合物中最高的 ，因此受到高频、高功率类别电子产品的青睐。
四 、还存在哪些缺点 ？
虽然GaN相比于Si等材料更节能 、更快 ，具备更好的恢复特性 ，但是仍然谈不上彻底取代 。由于若干原因，GaN并不常用于晶体管中 ，因为GaN器件通常是耗尽型器件 ，当栅极 － 源极电压为零时它们会产生导通，这是一个问题 。
其次，GaN器件极性太大 ，难以通过高掺杂来获得较好的金属－半导体的欧姆接触 ，这是GaN器件制造中的一个难题 ，现在最好的解决办法就是采用异质结，首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些，然后再采用高掺杂来实现欧姆接触 ，但这种工艺很复杂 。
五 、氮化镓代工争夺战开始
苹果 iphoness X 採用 3D 感测技术后 ，半导体材料砷化镓因 VCSEL 等应用而声名大噪 ，近来随著 5G 、电动车等新应用兴起 ，对功率半导体需求增温 ，新一代材料氮化镓 (GaN) 挟著高频率等优势 ，快速攫获市场目光；以中国台湾企业为代表的代工企业继站稳硅晶圆代工、砷化镓晶圆代工龙头地位后，也积极抢进氮化镓领域 ，力拚再拿代工龙头宝座 。
LED 领域发光发热后 ，近来受惠 5G、电动车应用推升 ，对高频率 、高功率元件需求成长 ，市场对氮化镓的讨论声浪再度高涨 。氮化镓主要应用于 600 至 1000 伏特的电压区间 ，具备低导通电阻、高频率等优势，可在高温、高电压环境下运作，但主要优势仍在于高频率元件 ，在高压与高功率表现上 ，虽优于硅基材料，但不如碳化硅材料表现亮眼。
从应用面来看 ，氮化镓应用包括变频器、变压器与无线充电，为国防 、雷达 、卫星通讯与无线通讯基地站等无线通讯设备的理想功率放大元件。
由于 5G 技术采用更高的操作频率 ，业界看好 ，GaN 元件将逐步取代横向扩散金氧半导体 (LDMOS) ，成为 5G 基站主流技术；且在手机功率放大器 (PA) 方面 ，因 GaN 材料具备高频优势，未来也可望取代砷化镓製程 ，成为市场主流 。
现行的 GaN 功率元件，以 GaN-on-Si(硅基氮化镓) 、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)2 种晶圆为主 ，虽然 GaN-on-SiC 性能相对较佳 ，但价格大幅高于 GaN-on-Si ，也使 GaN-on-Si 仍为目前市场主流 ，主要应用于电力电子领域 ，未来可望大幅导入 5G 基地台的功率放大器 (PA) 。
看准庞大需求 晶圆代工厂积极抢进
看准了氮化镓这个机会 ，中国厂商正在积极推进 。首先从台厂进度来看，磊晶硅晶圆厂嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶硅晶圆 ，已进入国际 IDM 厂认证阶段，并争取新订单中 ；而同属汉磊投控 集团的晶圆代工厂汉磊科 ，则已量产 6 吋 GaN on Si 晶圆代工，瞄准车用需求；晶圆代工龙头台积电 也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圆代工服务 。
至于 GaN-on-SiC 磊晶晶圆 ，则在散热性能上具优势 ，适合高温、高频操作环境，主要应用在功率半导体的车用 、工业与消费型电子元件领域 ，少量应用于通讯射频领域。目前 GaN-on-SiC 晶圆可做到 4 吋与 6 吋 ，未来可望朝 8 吋推进 ，惟磊晶技术主要集中在碳化硅晶圆大厂 Cree 手中 ，其在 SiC 晶圆市占率高达 6 成之多 ，几乎独霸市场。
不过 ，在晶圆代工产能方面 ，三五族半导体晶圆代工厂稳懋 已开始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工服务 ，应用瞄准高功率 PA 及天线 ；而环宇 - KY也拥有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 产能 ，且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工产能已通过认证 。
晶圆代工厂世界先进也在 GaN 材料上投资超过 4 年时间，持续与设备材料厂 Kyma、及转投资 GaN 硅基板厂 Qromis 携手合作 ，著眼开发可做到 8 吋的新基底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST，今年可望有小量样品送样，初期主要瞄准电源领域应用。
5G 应用推升氮化镓材料需求 ，而除站稳硅晶圆代工龙头、砷化镓晶圆代工龙头宝座外 ，台厂在第三代半导体材料上，当然也不能缺席，包括硅晶圆代工厂 、三五族半导体晶圆代工厂 ，均积极佈局氮化镓领域 ，以迎接 5G 时代下的半导体材料新革命 。
小结
欧美等国家正在持续加大第三代半导体领域研发支持力度 ，以GaN、SiC为首的第三代半导体材料被广泛应用，是半导体以及下游电力电子、通讯等行业新一轮变革的突破口 。
近年来 ，国内第三代半导体产业稳步发展，但在材料指标 、器件性能等方面与国外先进水平仍存在一定差距，第三代半导体产业本土化 、高端化的需求依然紧迫。
氮化镓（GaN） ，疫情中爆炸式增长的大机会 ，大奖18dj18官网大力看好的新兴产品 ！欢迎行业的朋友和企业家们合作，欢迎加盟到大奖18dj18官网的氮化镓项目中 ，共创伟业 ！
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