隨著消費電子產(chǎn)品、電動車、家用電器等產(chǎn)品更新?lián)Q代，產(chǎn)品的性能也越來越受重視，尤其是在功率設計方面。如何提升電源轉換能效，提高功率密度水平，延長電池續(xù)航時間，成為了新一代電子產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)。

在這樣的背景下，一種新型的功率半導體——氮化鎵（GaN）的出現(xiàn)，或許會成為未來電子產(chǎn)業(yè)的“香餑餑”。

蟄伏20年的GaN，卻被雷布斯“一不小心”帶火

上個月剛結束的小米10發(fā)布會上，和小米10一同火起來的，還有小米創(chuàng)始人雷軍著重介紹額65W小米GaN充電器。雷軍夸其為“實在太方便了！”新品火起來的同時，還引起投資人對于第三代半導體的廣泛關注。

了解GaN之前，首先我們要弄清楚關于半導體材料的一些知識。半導體材料發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)進入了第三代。

第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）等元素的材料，常用在信息技術中的分立器件和集成電路中，電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程等產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應用。

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge－Si、GaAs－GaP；玻璃半導體（又稱非晶態(tài)半導體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導體；以及有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

第三代半導體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導體材料。在應用方面，根據(jù)第三代半導體的發(fā)展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域。在本文中重點介紹的GaN，并不存在于自然界，只能在實驗室中制成。

在1998年，美國研制出GaN晶體管，資料顯示，GaN在室溫下帶隙為3．49eV（電子伏特）。一般來說，帶隙就是指禁帶寬度，是半導體材料的一個重要特征參量，其大小主要決定于半導體的能帶結構。

若禁帶寬度Eg＜ 2．3eV，則稱為窄禁帶半導體，如Ge、Si、GaAs以及InP；若禁帶寬度Eg＞2．3eV則稱為寬禁帶半導體，如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。

由于寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、熱導率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強以及良好的化學穩(wěn)定性等特點，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

以GaN為例，熔點高達1700℃。有人曾做過實驗，在一般高溫情況下，GaN不會發(fā)生分解反應，只有將其放置于氮氣或氦氣中且溫度超過1000℃時GaN才會慢慢揮發(fā)，證明GaN可以在較高的溫度下保持其穩(wěn)定性。這也是為什么GaN能被廣泛運用在大功率半導體中的原因。

GaN產(chǎn)業(yè)鏈及應用前景

與SiC產(chǎn)業(yè)鏈類似，GaN產(chǎn)業(yè)鏈可依次分為GaN襯底→GaN外延→器件設計→器件制造。從國內外GaN產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，美國、日本成為GaN產(chǎn)業(yè)發(fā)展的佼佼者，中國企業(yè)入局者則為數(shù)不多。

（資料源自中泰證券研究所）

快充產(chǎn)品領域：GaN材料應用范圍廣泛，最為人熟知的就是在快充產(chǎn)品領域。最初快充出現(xiàn)的時候還并不被大伙所看好，總感覺這么短時間內充滿一塊電池，擔心電池爆炸。隨著快充逐漸升級為超級快充，充電時間越來越短，對于電池安全的隱憂雖然沒有徹底放下，但人們也越來越愿意接受。

（資料源自OFweek、東吳證券研究所）

新型的GaN快充與傳統(tǒng)快充相比，由于GaN的材料特性能提供更高的能量轉化效率，降低了功耗，減小了充電時的發(fā)熱問題；GaN充電器擁有更大的功率密度，能夠實現(xiàn)更快的充電速度；此外，GaN充電器功率器件的開關頻率顯著高于傳統(tǒng)快充中的Si功率器件，因此可以實現(xiàn)體積更小的充電器產(chǎn)品設計。

5G射頻領域：隨著5G技術的爆發(fā)，相關產(chǎn)業(yè)對射頻功率、功耗的要求進一步提升，GaN將逐漸取代Si材料。在相控陣雷達、電子對抗戰(zhàn)、精確制導等軍事化場景中，GaN的運用也越來越廣泛。

市場研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole曾經(jīng)表示，2018年GaN射頻器件市場規(guī)模達到4．57億美元，未來5年復合增長率超過23％。在整個射頻應用市場，GaN器件的市場份額將逐漸提高。長期來看，在宏基站和回傳領域，憑借高頻高功率的性能優(yōu)勢，GaN將逐漸取代LDMOS和GaAs從而占據(jù)主導位。

電動汽車、光伏等功率半導體領域：目前電動汽車、光伏、智能電網(wǎng)等領域使用的IGBT是硅基材料，如果未來氮化鎵技術取得突破，從而滲透進IGBT半導體領域，那么將進一步打開氮化鎵市場的天花板。

照明領域：半導體照明是目前國內外非常受人矚目的一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，它將取代大部分傳統(tǒng)光源，又被稱為21世紀的能源革命．GaN能和NIn、NAl相互摻雜改變III族元素的比例，從而能使其發(fā)光波長覆蓋從紅光到紫外光的范圍，由此達到更高效率、高亮度的光源方面的應用。

還存在哪些缺點？

雖然GaN相比于Si等材料更節(jié)能、更快，具備更好的恢復特性，但是仍然談不上徹底取代。由于若干原因，GaN并不常用于晶體管中，因為GaN器件通常是耗盡型器件，當柵極 － 源極電壓為零時它們會產(chǎn)生導通，這是一個問題。

其次，GaN器件極性太大，難以通過高摻雜來獲得較好的金屬－半導體的歐姆接觸，這是GaN器件制造中的一個難題，現(xiàn)在最好的解決辦法就是采用異質結，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然后再采用高摻雜來實現(xiàn)歐姆接觸，但這種工藝很復雜。

小結

歐美等國家正在持續(xù)加大第三代半導體領域研發(fā)支持力度，以GaN、SiC為首的第三代半導體材料被廣泛應用，是半導體以及下游電力電子、通訊等行業(yè)新一輪變革的突破口。

近年來，國內第三代半導體產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但在材料指標、器件性能等方面與國外先進水平仍存在一定差距，第三代半導體產(chǎn)業(yè)本土化、高端化的需求依然緊迫。