中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氮化鎵(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，具有帶隙寬、原子鍵強(qiáng)、導(dǎo)熱率高、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗輻照能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)類(lèi)似纖鋅礦、硬度很高等特點(diǎn)，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
2020年2月，小米特別推出了小米10系列手機(jī)，其中，小米65W氮化鎵充電器的亮相使氮化鎵再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，那么氮化鎵材料有哪些無(wú)可比擬的優(yōu)越性？它又能否成為行業(yè)的下一個(gè)熱點(diǎn)呢？
氮化鎵材料的優(yōu)點(diǎn)
典型半導(dǎo)體材料特性參數(shù)對(duì)比
由典型半導(dǎo)體材料特性參數(shù)對(duì)比可以看出，GaN和SiC的材料特性主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）臨界擊穿電場(chǎng)比Si高十倍，較大地提高了這兩款半導(dǎo)體功率器件電流密度和耐壓容量，同時(shí)也較大地降低了導(dǎo)通損耗；
（2）禁帶寬度大約是Si的三倍，大大降低了這兩款半導(dǎo)體器件的泄露電流，并使這兩款半導(dǎo)體器件均有抗輻射特性；此外由于碳化硅材料的耐高溫特性，在高溫應(yīng)用場(chǎng)合是具有優(yōu)勢(shì)的，理論上工作溫度可以達(dá)到600℃；
（3）熱導(dǎo)率是Si的三倍，有著優(yōu)異的散熱性能，可以大大地提高SiC的集成度、功率密度。
（4）電子飽和漂移速度是Si的兩倍，可以讓這兩款半導(dǎo)體器件在更高的頻率下工作。
因此GaN、SiC這兩款半導(dǎo)體材料有著Si材料無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)，所以用這兩款半導(dǎo)體材料制造的芯片可以承受更高的電壓，輸出更高能量密度，更高的工作環(huán)境溫度。另外，氮化鎵GaN器件有著更高的輸出阻抗，可以使得阻抗匹配和功率組合更輕松，因此可以覆蓋更寬的頻率范圍，大大地提高射頻功率放大器的適用性。
氮化鎵材料的應(yīng)用前景
在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用
當(dāng)前軍事與航天領(lǐng)域是氮化鎵技術(shù)最大的市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軍事和航天領(lǐng)域占據(jù)了GaN器件總市場(chǎng)的40%，最大的應(yīng)用市場(chǎng)是雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。2016年3月，愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)美國(guó)雷神公司宣布采用了最新的基于GaN技術(shù)的相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)。之前的愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的雷達(dá)是采用的被動(dòng)電子掃描陣列系統(tǒng)，現(xiàn)在的雷達(dá)系統(tǒng)改為了基于GaN技術(shù)的主動(dòng)電子掃描陣列，基于GaN技術(shù)的主動(dòng)電子掃描陣列將提供給愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)360度無(wú)死角的雷達(dá)搜索制導(dǎo)能力。包括現(xiàn)在的機(jī)載火控雷達(dá)、彈載導(dǎo)引頭、艦載預(yù)警防空雷達(dá)系統(tǒng)等等，越來(lái)越多的用到了基于GaN技術(shù)的相陣防空天線(xiàn)�，F(xiàn)在這些GaN技術(shù)已經(jīng)慢慢地正從軍用轉(zhuǎn)為民用。例如，汽車(chē)駕駛無(wú)人系統(tǒng)、60GHz頻段的Wi-Fi技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信基站，還有就是5G基站。
在5G基站等射頻領(lǐng)域的應(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，基站應(yīng)用需要更高的峰值功率，這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。
基站建設(shè)將是氮化鎵市場(chǎng)成長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。Yoledevelopment數(shù)據(jù)顯示，2018年，基站端氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模不足2億美元，預(yù)計(jì)到2023年，基站端氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模將超5億美元。氮化鎵射頻器件市場(chǎng)整體將保持23%的復(fù)合增速，2023年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)13億美元。
在電力電子方面的應(yīng)用
氮化鎵技術(shù)有望大幅改進(jìn)電源管理、發(fā)電和功率輸出等應(yīng)用。GaN在未來(lái)幾年將在許多應(yīng)用中取代硅，其中，快充是第一個(gè)可以大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用。GaN器件在高頻、高轉(zhuǎn)換效率、低損耗、耐高溫上具有極大的優(yōu)勢(shì)，隨著5G手機(jī)耗電量增加，大功率快充將成為標(biāo)配，GaN快充技術(shù)可以很好地解決大電池帶來(lái)的充電時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。
Yoledevelopment數(shù)據(jù)顯示，2018年GaN功率電子器件國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模約為1.2億元，尚處于應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)展初期，但未來(lái)市場(chǎng)空間有望持續(xù)拓展，在市場(chǎng)樂(lè)觀(guān)預(yù)期下2023年GaN功率電子市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到4.24億美元。
我國(guó)氮化鎵發(fā)展面臨的問(wèn)題
氮化鎵在性能、效率、能耗、尺寸等多方面較市場(chǎng)主流的硅功率器件均有顯著數(shù)量級(jí)的提升，但其發(fā)展也面臨著許多問(wèn)題。
原材料短缺。氮化鎵是自然界沒(méi)有的物質(zhì)，完全要靠人工合成。氮化鎵沒(méi)有液態(tài)，因此不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的直拉法拉出單晶，純靠氣體反應(yīng)合成。由于反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，速度慢，反應(yīng)副產(chǎn)物多，設(shè)備要求苛刻，技術(shù)異常復(fù)雜，產(chǎn)能極低，導(dǎo)致氮化鎵單晶材料極其難得，因此2英寸售價(jià)便高達(dá)2萬(wàn)多。
另外，目前我國(guó)對(duì)SiC晶圓的制備尚為空缺，大多數(shù)設(shè)備靠國(guó)外進(jìn)口。而主流氮化鎵器件公司都采用碳化硅襯底，因?yàn)榛谔蓟枰r底的氮化鎵器件比硅襯底氮化鎵器件性能更好，良率更高，更能體現(xiàn)氮化鎵材料優(yōu)勢(shì)，但碳化硅襯底成本更高。
原始創(chuàng)新能力低。國(guó)內(nèi)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國(guó)外相比水平較低，且氮化鎵是重要國(guó)防軍工產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)外對(duì)我國(guó)技術(shù)封鎖，目前我國(guó)氮化鎵核心材料、器件原始創(chuàng)新能力仍相對(duì)薄弱。
氮化鎵封裝成本極高。氮化鎵主要用金屬陶瓷封裝，封裝成本占到整個(gè)器件成本的三分之一到一半。盡管業(yè)界已經(jīng)在嘗試純銅、塑封、空腔塑封等形式來(lái)替代金屬陶瓷封裝，但由于金屬陶瓷封裝在性能、散熱與可靠性上的優(yōu)勢(shì)，仍然是氮化鎵器件的首選封裝。
綜上，氮化鎵雖然發(fā)展?jié)摿薮�，�?G通信、電源等市場(chǎng)都有著廣闊的前景，但它仍面臨這許多挑戰(zhàn)，需要國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用等相關(guān)方面要勇于挑戰(zhàn)，創(chuàng)新合作模式，協(xié)同攻關(guān)，建立并發(fā)展好國(guó)內(nèi)氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈，共同促進(jìn)氮化鎵材料的發(fā)展。
參考資料：
周?chē)?guó)強(qiáng)、李維慶等.射頻氮化鎵GaN技術(shù)及其應(yīng)用
盛璟、蔡茂.氮化鎵GaN的特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀
李曉明.5G時(shí)代新技術(shù)需要關(guān)注氮化鎵
數(shù)碼探路人、中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)
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