【摘要】 GaN光电器件中，代表公司有日本东芝，国内有三安光电、中蕊光电、聚芯光电、晶能光电。

导语

 

随着小米推出GaN(GaN)充电器，GaN这种半导体材料开始走进大家的视野，成为今年备受关注的热门材料之一，在GaN产业链上产生鲶鱼效应。

 

GaN除了快充细分领域，在微波射频、电力电子和光电子等领域同样有其用武之地。就像2017年iPhone的3D传感应用带动了上游垂直腔面发射激光器(VCSEL)的快速发展，如今快充市场的普及，是否会推动GaN材料的产业化进程?

 

那就跟随我们，一起来了解下GaN及其产业情况吧。

 

GaN是什么?

 

首先，让我们从他的名称开始了解。GaN是一种新型的半导体材料，中文名为GaN，英文名为 Gallium nitride，简称GaN。

 

它是氮和镓的化合物，从性质上来说，它是一种非常坚硬的材料，具有纤锌矿晶体结构。早在1990年，GaN就被经常用于发光二极管中。不过当时因为制作工艺难度高，所以并没有被推广使用。除了是一种直接能隙(Direct Bandgap)的半导体，它也是一种宽禁带半导体材料。在半导体材料中，与碳化硅(SiC)同被称为“第三代半导体材料”。

 

小知识

 

1

第一代半导体材料：主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料。

 

2

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;有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

 

3

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。

 

GaN有哪些优势?

 

与半导体材料中第一代的Si以及第二代的GaAs等相比，GaN功率器件的性能具有明显优势。

 

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转换效率高

与硅这种材料进行比较，GaN的禁带宽度是其三倍，禁带宽度大(3.4 eV)，热导率高(1.3 W/cm-K)，因此工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

这就意味着GaN可以承受更高的电压，有更好的导电能力。因此，在相同体积下，GaN比硅的效率高出不少。如果GaN替换现在所有电子设备，可能会让电子产品的用电量再减少10%或者25%。

 

02

工作频率高

同样是与硅器件相比，GaN的工作频率比硅高20倍左右。以数据来看的话，GaN可以工作在高频段，这就使得整个电路的开关工作频率从原来的50-60 kHz，提高到200-500 kHz及以上。开关频率是指充电头内部晶闸管,可控硅等电子元件,每秒可以完全导通、断开的次数。开关频率高可减小变压器和电容的体积，有助于减小充电头的体积和重量。

 

03

工艺兼容性强

GaN器件是平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，因此更容易与其他半导体器件集成。有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步降低用户的使用门槛。

Yole Developpement功率电子暨化合物半导体事业单位经理PierricGueguen认为，碳化硅主要适用于600 V以上的高功率应用，GaN则适用于200-600V中功率应用。根据Yole的预测，到了2020年，GaN将进一步往600-900V发展，势必会开始与碳化硅产生竞争关系。

 

GaN能应用在哪些领域?

 

01

消费电子中的应用

 

 

小米GaN充电器

 

今年一月美国的CES展会上，参展的GaN充电器已经多达66款，华为、三星、苹果、海思、中兴微电子、华为、vivo等都有涉足。据Yole Developpement预计，2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元，年复合成长率达85%，当中，GaN快充是推动产业发展的主要力量。

 

02

5G射频技术中的应用

 

GaN射频器件

 

5G时代通讯频段向高频迁移，基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也在不断提高。当前基站与无线回传系统中使用的大功率射频器件(功率大于3 W)，主要有基于三种材料生产的器件：传统的LDMOS(横向扩散MOS)、砷化镓(GaAs)，以及新兴的GaN。

 

5G要求更高的功率、高达100 GHz的频率范围和更高的效率的目标，GaN器件能提供下一代高频电信网络所需的功率/能效等级，其宽带性能让GaN大有用武之地。针对未来的大型基站功率放大器，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)已成为备选技术。

 

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无人驾驶技术中的应用

 

 

自动驾驶中手势控制

 

我们知道激光雷达使用激光脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图，速度与精确都是重要指标。

 

要实现传感器和摄像头之间的最佳搭配，寻求成本控制与可以大批量生产的前提下，最大限度的提升对周围环境的感知和视觉能力，GaN的应用能够起到良好效果。

 

GaN场效应晶体管相较MOSFET器件而言，开关速度快十倍，这就能够让LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，可实现优越的开关转换，因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现，包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。

 

04

在国防工业中的应用

 

GaN近年来已经成为在军事应用中启用更高性能系统的关键组件，例如有源电子扫描阵列(AESA)雷达和电子战系统，都需要更大功率、更小体积和更有效的热管理。美国的雷神(Raytheon)、诺斯洛普·格鲁门(Northrop Grumman)、洛克希德马丁(Lockheed Martin)等，欧洲的UMS、空中客车(Airbus)、萨博(Saab)等，以及中国电子科技集团公司(CETC)，都在推动GaN的应用。

 

此外，GaN在水下通信、激光显示、医疗方面等都具有重要应用价值。

 

GaN的产业发展

 

GaN的应用从20世纪90年代开始，首先在LED领域大放异彩。目前，GaN已经拥有了足够广阔的应用空间。作为第三代半导体新技术，也受到众多企业的热捧。

 

我们从GaN产业链来看，包括上游材料(包括衬底与外延)、中游的器件与模组、下游的系统和应用。

 

在上游衬底领域，主要由日本和美国公司主导。例如，日本的住友电气、三菱化学、古河电气等;国内实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维和北京大学的东莞市中镓半导体、以及中晶半导体等。

 

外延片领域，国外企业主要有日本同和、日本NTT-AT 、EpiGaN(已被法国Soitec收购)、英国IQE公司等。国内则有有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光，聚力成半导体等。

 

GaN射频器件领域，国外企业主要有日本住友电工、美国科锐;国内主要有东莞中晶、珠海英诺赛科、三安集成、苏州能讯。其中，英诺赛科是目前全球首家采用8英寸增强型硅GaN外延与芯片大规模量产的企业，也是跻身GaN产业第一梯队的国产半导体企业代表，前景可期。

 

GaN电子器件中，包括国外德国英飞凌、美国安森美;国内苏州能华、大连芯冠、苏州捷芯威。

 

GaN功率器件中，国外有德国英飞凌、美国安森美、美国德州仪器、美国Navitas、美国Power Integrations、加拿大GaN Systems;国内华润微电子、杭州士兰微。其中，纳微半导体(Navitas)可为移动、消费、企业和新能源市场提供更小、更高能效和更低成本的电源。此次小米65WGaN充电器的核心器件采用的正是纳微半导体的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC。而2019年9月，OPPO发布的65W 基于SuperVOOC 2.0技术的GaN快充采用的则是Power Integrations的PowiGaN系列的GaN芯片。

 

GaN光电器件中，代表公司有日本东芝，国内有三安光电、中蕊光电、聚芯光电、晶能光电。

 

一直以来，不论是科研界还是产业界，都在不断提升和改进GaN在各种器件中的应用效率，GaN光栅耦合器、GaN激光器、GaN光栅偏振分数器、GaN基发光二极管、GaN基LED、GaN功率放大器等各种可以使用的场景都可以看到它的身影。2016年，欧司朗发布了最新款的GaN边发射激光器，其电光转化效率为在20%左右。所以，未来我们的研究方向可能还是不断提高其电光转换效率。有行业专家认为，未来GaN EELD的目标是将效率从当前30%提高到60%以上，前景可观。你认为呢?

 

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