半导体职业在摩尔定律的“魔咒”下现已狂奔了50多年，跟着半导体工艺的特征尺度日益迫临理论极限，摩尔定律对半导体职业的加快度现已显着放缓。除了进一步开展在摩尔定律下的制作工艺外，寻觅硅（Si）以外新一代的半导体资料，也就成了一个重要方向。在这个过程中，氮化镓（GaN）近年来作为一个高频词汇，进入了人们的视界。
GaN是一种新式的半导体资料，中文名为氮化镓，英文名称是 Gallium nitride。它是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（Direct Bandgap）的半导体，也是一种宽禁带半导体资料。与碳化硅（SiC）一同被成为“第三代半导体资料”，而第三代半导体资料正凭仗其优胜的功用和巨大的商场远景，成为全球半导体商场抢夺的焦点。
为什么GaN技能得到了开展？
与GaN比较，实际上同为第三代半导体资料的SiC的运用研讨起步更早，而之所以GaN近年来更为抢眼，首要的原因有两点：榜首，GaN在下降本钱方面显现出了更强的潜力，现在干流的GaN技能厂商都在研制以Si为衬底的GaN的器材，以代替贵重的SiC衬底；第二，因为GaN器材是个平面器材，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更简单与其他半导体器材集成。
氮化镓（GaN）具有更高的击穿电压(运用GaN时大于200V)，可以接受高的输入/输出错配(一般>15：1VSWR)，具有更高的结温，均匀无故障时刻为一百万个小时。此外，它还具有热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。
相较于传统的硅基半导体，GaN可以供给显着的优势来支撑功率运用，这些优势包含在更高功率获取更大的节能效益，致使寄生功耗大幅下降；GaN资料也容许更多精简元件的规划以支撑更小的尺度外观。这与半导体职业一向的“调性”是符合的。
依据Gartner制作的GaN技能老练度曲线，GaN现在处于技能老练度曲线的第二个攀升阶段，也便是说它的热潮时刻段现已曩昔，走出了泡沫化的低谷期，现已进入了稳步爬高的光亮期，现在正是GaN产品和技能开展的良机。
GaN首要从上世纪90年代开端在LED范畴大放异彩，自20世纪初以来，GaN功率器材现已逐渐商业化。2010年，榜首个GaN功率器材由IR投入商场，自商用功率GaN器材初次发布以来，越来越多的企业进入该工业链。
在功率器材中，相对于Si器材，GaN功率器材的功用具有显着优势。首要，其转化功率很高，GaN的禁带宽度是硅的三倍，临界击穿电场是硅的十倍，因而相同额定电压的GaN功率器材的导通电阻比硅器材低1000倍左右，大大下降了开关的导通损耗。
别的，GaN功率器材作业频率很高，比硅器材高20倍左右。因为GaN可以作业在高频段，因而可以使得整个电路的开关作业频率从本来的50~60kHz，进步到200~500kHz及以上。作业频率高了后，就可以大幅缩小变压器等器材的体积，然后进步了产品的功率密度，让产品的体积可以做得更小，功率做得更高。一起，因为功率进步了，散热也更好处理，有些产品乃至都不需求加散热片了。
这些给GaN功率器材的开展发明了条件。比较硅在高于1200V的高电压、大功率具有优势，GaN制的产品更适合40～1200V的运用，特别是在600V/3KW能发挥最大优势，600/650V等级的GaN晶体管现在现已广泛运用。因而，在伺服器、马达驱动、UPS等范畴，GaN可以应战传统MOSFET或IGBT的位置。
2016年氮化镓(GaN)功率元件工业规划约为1200万美元，研讨机构Yole Développemen研讨显现估计到2022年该商场将生长到4.6亿美元，年复合生长率高达79%。
具有GaN功率器材或辅佐元器材事务的公司简直都享受着出售成绩每月添加的“甜美”，包含GaN Systems、Navitas Semiconductor、Texas Instruments（德州仪器）、Panasonic（松下）和On Semiconductor（安森美）等公司。
尽管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很多选用的主因。反而在卫星、军事这类对价格敏感度低的工业，GaN零组件对其有极大的吸引力。若未来成天性再大幅下降，商场需求就会迸发。
GaN在电源办理、发电和功率输出方面具有显着的技能优势。在600伏特左右电压下，其在芯片面积、电路功率和开关频率方面显着优于硅，这使电源产品更为轻浮、高效。而且，GaN充电器体积小、功率高、支撑PD协议，有望在未来一致笔电和手机的充电器商场，商场远景宽广。Yole估计2024年GaN电源商场产量将超越3.5亿美元，年复合生长率达85%，傍边，GaN快充是推进工业高生长的首要力气。
跟着GaN技能获得打破，本钱得到操控，除了射频微波范畴，它还被广泛运用到了消费类电子等范畴，其间快速充电器便是一例。选用了GaN功率器材的充电器最直观的感触便是体积小、重量轻，在发热量、功率转化上比较一般充电器也有更大的优势，大大的提升了用户的运用体会。
2018年10月，ANKER发布了全球首款USB PD GaN充电器PowerPort Atom PD1，和苹果5W充电器差不多的体积却能输出高达27W的功率，吸足眼球。随后，除了专门出产充电头的厂商，不少消费电子厂商也盯上了GaN充电技能。上一年10月发布的OPPO Reno Ace中，就标配了一个GaN充电器，可以完成65W的超级闪充，成为全球首款标配GaN充电器的手机。
上个月，在小米新品发布会上，小米也推出了一款体积细巧的充电器，选用了来自Navitas的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC，体积为56.3×30.8×30.8mm，官方表明是规范适配器尺度的一半，也便是小米GaN充电器Type-C 65W —— 再次让GaN资料在充电器上的运用引发了消费电子职业的重视。
就整个消费电子职业的状况来看，GaN现已在全球干流的消费电子厂商中得到了重视和投入，GaN也正在随同充电器快速迸发。本年一月，在美国举行的CES展会上，参展的GaN充电器现已多达66款，其间涵盖了18W、30W、65W、100W等多个功率以及全新品类超级扩展坞，满意手机、平板、笔电的全方位充电需求。归纳功用和本钱两个方面，GaN也有望在未来成为消费电子范畴快充器材的干流挑选。
跟着用户对充电器通用性、便携性的需求进步，未来GaN快充商场规划将快速上升，估计2020年全球GaN充电器商场规划为23亿元，2025年将快速上升至638亿元，5年复合年均添加率高达94％。
值得一提的是，在这样的商场趋势下，一些重要的半导体职业也大举切入到GaN商场。GaN不只仅只在充电器范畴，凭仗GaN的功率功用、频率功用以及优异散热功用，它还可用于5G基站、自动驾驶、军用雷达等很多功率和频率有较高要求的场。
但在手机范畴，GaN之所以越来越知名，绝不只仅是因为快充，而是5G年代的到来。5G将带来半导体资料改造性的改变，跟着通讯频段向高频搬迁，因而基站及通讯设备对射频器材高频功用的要求也在不断进步。不只如此，5G所需求的多重载波聚合以及基站的功率放大器，GaN都可以占有一席之地，通吃5G的上下游工业链。
在此布景下，GaN的优势将逐渐凸显，使得GaN成为5G的要害技能。跟着本年5G手机的大规划推出和各国5G基站的铺设，和现有的硅、砷化镓的解决方案比起来，GaN则能供给更好的功率以及能耗比，也更能适用于5G年代的需求。
· 在5G的要害技能Massive MIMO运用中，基站收发信机上运用大数量（如32/64等）的阵列天线完成更大的无线数据流量和衔接可靠性，这种架构需求相应的射频收发单元阵列配套。因而射频器材的数量将大为添加，器材的尺度巨细很要害，运用GaN的尺度小、功率高和功率密度大的特色可完成高集化的解决方案，如模块化射频前端器材。
· 除了基站射频收发单元陈设中所需的射频器材数量大为添加，基站密度和基站数量也会大为添加，因而比较3G、4G年代，5G年代的射频器材将会以几十倍、乃至上百倍的数量添加，因而本钱的操控十分要害，而硅基氮化镓在本钱上具有巨大的优势，跟着硅基氮化镓技能的老练，它能以最大的性价比优势获得商场的打破。
一起在5G毫米波运用上，GaN的高功率密度特性在完成相同掩盖条件及用户追寻功用下，可有用削减收发通道数及全体方案的尺度，完成功用本钱的最优化组合。
让人感到振奋并可瞥见未来的自动驾驶，也是GaN的运用范畴。如果您仔细看，您会看到在车顶上安装了用作车辆的“眼睛”的激光雷达（LiDAR）体系。LiDAR器材快速发射出操控光束，以及纪录光束从一个物体上反射回来到传感器的时刻，而且可以确认这个物体的方向，然后制成在车辆四周的三维360度全景。激光光束的发射速度越快，LiDAR体系辨认物体的才能或场景的分辨率将会更高。
GaN技能在LiDAR体系中发挥十分重要的效果，相较MOSFET器材而言，开关速度快十倍，使得LiDAR体系具有优胜的解像度及更快速反应时刻等优势，因为可完成优胜的开关转化，因而可推进更高准确性。这些功用推进全新及更宽广的LiDAR运用范畴的呈现包含支撑电玩运用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶轿车等运用。
GaN在国防工业中的运用远景也很宽广，美国的大型国防合约商雷神公司宣告将开端在新出产的Guidance Enhanced Missile-TBM（GEM-T）拦截器中运用GaN计算机芯片，以替代现在在导弹发射器中运用的行波管（TWT），期望经过运用GaN芯片晋级GEM-T的发射器，进步拦截器的可靠性和功率。此外，在新出产导弹中过渡到GaN意味着发射器不需求在拦截器的运用寿命期间替换。
雷神公司的GEM-T导弹是美国陆军爱国者空中和导弹防护体系的支柱，于抵挡飞机和战术弹道导弹和巡航导弹。发射器将导弹与地上体系衔接起来，使其可以在飞翔过程中操控兵器，GEM-T中的GaN发射器运用固态而不是传统的行波管规划。
新发射器具有与旧发射器相同的外形和功用，不需求额定的冷却，而且可以在通电几秒钟内运转。这意味着选用新式GaN发射器的GEM-T将可以持续在最严苛的条件下运转。这种发射器技能也或许会在其他导弹上看到其他测验。美国陆军表明有爱好用这些类型的发射器替代整个库存，在GEM-T方案中选用这些发射器可以将修正本钱下降36％。
终究咱们来看看，现在什么是氮化镓（GaN）器材开展道路上的“绊脚石”呢？影响最大的便是：价格。回忆前两代半导体的演进开展过程，任何一代半导体技能从实验室走向商场，都面对商用化的应战。现在GaN也处于这一阶段，本钱将会跟着商场需求量加快、大规划出产、工艺制程改造等，而走向平民化，而终究的商场也将会替代传统的硅基功率器材。跟着第三代半导体的遍及接近，也让咱们有幸见证这一刻的到来。
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