氮化鎵，分子式GaN，英文名稱Gallium nitride，是一種氮（V）和鎵（III）的III-V族化合物，直接帶隙（Direct Bandgap）（直接躍遷型）的半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬（室溫下，Eg=3.39eV）、原子鍵強(qiáng)、導(dǎo)熱率高、化學(xué)性能穩(wěn)定（幾乎不被任何酸腐蝕）、抗輻照能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦、硬度很高等特點(diǎn)。

GaN被譽(yù)為繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料，第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

氮化鎵相比傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體，有著比硅基半導(dǎo)體出色的擊穿能力，更高的電子密度和電子遷移率，還有更高的工作溫度。

這首先體現(xiàn)了低損耗和高開關(guān)頻率，低損耗可降低導(dǎo)阻帶來的發(fā)熱，高開關(guān)頻率可減小變壓器和電容的體積，有助于減小充電器的體積和重量。同時(shí)GaN具有更小的Qg，可以很容易的提升頻率，降低驅(qū)動損耗。

不過制造工藝上氮化鎵和傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體不同。氮化鎵的襯底是在高溫下利用金屬有機(jī)氣相沉積（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技術(shù)生長的。氮化鎵與一般半導(dǎo)體材料的最大區(qū)別是禁帶更寬。

禁帶寬度是表征價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，禁帶越寬，對價(jià)電子的束縛越緊，使價(jià)電子擺脫束縛成為自由電子的能量越大。禁帶寬度也決定了自由移動電子的質(zhì)量。

氮化鎵應(yīng)用風(fēng)口

氮化鎵的誕生，伴隨著科技發(fā)展服務(wù)人類美好生活的使命而來。眾多新技術(shù)、新應(yīng)用、新市場，在氮化鎵從實(shí)驗(yàn)室走向市場那一刻，注定吸引了全球眼球。

這些新興的市場就包括了5G、射頻、快充等等，我們列舉幾個(gè)氮化鎵目前即將大規(guī)模商用的領(lǐng)域與大家分享。

1、5G商用臨近

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)用中常用的三五價(jià)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。

與硅或者其他三五價(jià)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 峰會上表示：預(yù)計(jì)明年上半年和年底圣誕新年檔期將會是兩波 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。

2、消費(fèi)類產(chǎn)品快充需求旺盛

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，另有20款手機(jī)支持USB PD3.0（PPS）快充。以下是詳細(xì)的手機(jī)型號列表：

可以看到，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。USB PD快充的手機(jī)已經(jīng)多達(dá)52款型號和覆蓋15個(gè)品牌，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、激光雷達(dá)讓無人駕駛更安全

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，因此可推動更高準(zhǔn)確性。

這些性能推動全新及更廣闊的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)動作、以手勢驅(qū)動指令的計(jì)算機(jī)及自動駕駛汽車等應(yīng)用。

在大力研發(fā)和推進(jìn)自動化汽車普及過程中，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>

全球氮化鎵知名企業(yè)

在5G商用、消費(fèi)類電源快充普及、無人駕駛等領(lǐng)域，氮化鎵已經(jīng)擁有的廣闊的應(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，目前市面上已經(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。

1、Innoscience英諾賽科

Innoscience 英諾賽科創(chuàng)辦于2015年12月，是一家專注于第三代半導(dǎo)體硅基氮化鎵研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的高新技術(shù)企業(yè)，目前在中國珠海和蘇州擁有兩個(gè)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化基地。

英諾賽科團(tuán)隊(duì)人才匯聚，集合了國內(nèi)外眾多氮化鎵領(lǐng)域的精英，并通過不斷創(chuàng)新，在全世界范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了8英寸硅基氮化鎵量產(chǎn)工藝，并先后推出系列產(chǎn)品，產(chǎn)品各項(xiàng)性能均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

英諾賽科采用IDM全產(chǎn)業(yè)鏈模式，成功在中國建立了一條涵蓋研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試、銷售、市場、技術(shù)支持等在內(nèi)的完整的GaN產(chǎn)業(yè)鏈，有效提高了GaN晶圓工廠的制造能力，加速高性能氮化鎵產(chǎn)品進(jìn)入市場，為當(dāng)前中國第三代半導(dǎo)體制造的領(lǐng)軍企業(yè)。

2、Navitas納微半導(dǎo)體公司

Navitas Semiconductor（納微半導(dǎo)體公司）是世界上第一批GaN功率IC公司，于2013年在美國加利福尼亞州El Segundo成立。

納微擁有強(qiáng)大的功率半導(dǎo)體行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)，此前在電力電子領(lǐng)域就取得了非常傲人的成績。該公司累計(jì)獲得200多項(xiàng)已發(fā)布的專利，專有的 AllGaN工藝設(shè)計(jì)套件將最高性能的GaN FET與邏輯和模擬電路單片集成，可為移動、消費(fèi)、企業(yè)和新能源市場提供更小、更高能效和更低成本的電源。

3、EPC宜普電源

宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）于2007年11月由三位資深工程師共同創(chuàng)建，他們合共擁有六十年與先進(jìn)功率管理技術(shù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。宜普電源轉(zhuǎn)換公司的首席執(zhí)行官Alex Lidow是1970年代硅功率MOSFET的共同發(fā)明者。

在國際整流器公司曾擔(dān)任管理研發(fā)及制造職位外，期間更有長達(dá)十二年擔(dān)任該公司的首席執(zhí)行官。其后半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程讓宜普公司的所有創(chuàng)辦人清楚知道硅技術(shù)已經(jīng)達(dá)到它的性能極限及其發(fā)展步伐已經(jīng)不可以像從前那樣為業(yè)界推動創(chuàng)新、再創(chuàng)高峰。

創(chuàng)建宜普電源轉(zhuǎn)換公司是基于對氮化鎵技術(shù)可以在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域替代硅技術(shù)的信念， 這是由于氮化鎵技術(shù)具備無敵的速度、效率及低成本的優(yōu)勢。其實(shí)氮化鎵技術(shù)是一種具備優(yōu)越的晶體特性的使能技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)的性能與硅技術(shù)相比較是1000 ：1 的比值。

氮化鎵市場前瞻

氮化鎵器件有什么缺點(diǎn)呢？缺點(diǎn)就是太貴了！

回顧前兩代半導(dǎo)體的演進(jìn)發(fā)展過程，任何一代半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場，都面臨商用化的挑戰(zhàn)。目前氮化鎵也處于這一階段，成本將會隨著市場需求量加速、大規(guī)模生產(chǎn)、工藝制程革新等，而走向平民化，而最終的市場也將會取代傳統(tǒng)的硅基功率器件。而8英寸硅基氮化鎵的商用化量產(chǎn)，可以大幅降低成本。第三代半導(dǎo)體的普及臨近，也讓我們有幸見證這一刻的到來。