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）的半導體材料，具有帶隙寬（室溫下，Eg=3.39eV）、原子鍵強、導熱率高、化學性能穩(wěn)定（幾乎不被任何酸腐蝕）、抗輻照能力強、結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦、硬度很高等特點。

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

氮化鎵相比傳統(tǒng)硅基半導體，有著比硅基半導體出色的擊穿能力，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)了低損耗和高開關頻率，低損耗可降低導阻帶來的發(fā)熱，高開關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)硅基半導體不同。氮化鎵的襯底是在高溫下利用金屬有機氣相沉積（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技術生長的。氮化鎵與一般半導體材料的最大區(qū)別是禁帶更寬。

禁帶寬度是表征價電子被束縛強弱程度的一個物理量，禁帶越寬，對價電子的束縛越緊，使價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。

氮化鎵應用風口

氮化鎵的誕生，伴隨著科技發(fā)展服務人類美好生活的使命而來。眾多新技術、新應用、新市場，在氮化鎵從實驗室走向市場那一刻，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，我們列舉幾個氮化鎵目前即將大規(guī)模商用的領域與大家分享。

1、5G商用臨近

射頻氮化鎵技術是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）是射頻應用中常用的三五價半導體材料。

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。氮化鎵器件的瞬時帶寬更高，這一點很重要，載波聚合技術的使用以及準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器件相比，氮化鎵速度更快。GaN可以實現(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)的設計變得更加輕松。射頻電路中的一個關鍵組成是PA（Power Amplifier，功率放大器）。

從目前的應用上看，功率放大器主要由砷化鎵功率放大器和互補式金屬氧化物半導體功率放大器（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成為下一個熱點。氮化鎵作為一種寬禁帶半導體，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。

高通公司總裁 Cristiano Amon 在2018 高通 4G / 5G 峰會上表示：預計明年上半年和年底圣誕新年檔期將會是兩波 5G 手機上市潮，首批商用 5G 手機即將登場。據(jù)介紹，5G 技術預計將提供比目前的 4G 網(wǎng)絡快 10 至 100 倍的速度，達到每秒千兆的級別，同時能夠更為有效地降低延遲。

在5G的關鍵技術Massive MIMO應用中，基站收發(fā)信機上使用大數(shù)量（如32/64等）的陣列天線來實現(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鍵，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現(xiàn)高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。

同時在5G毫米波應用上，GaN的高功率密度特性在實現(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時代，5G時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的成熟，它能以最大的性價比優(yōu)勢取得市場的突破。

2、消費類產(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)的功率開關無法改變充電器的現(xiàn)狀。

而GaN技術可以做到，因為它是目前全球最快的功率開關器件，并且可以在高速開關的情況下仍保持高效率水平，能夠應用于更小的元件，應用于充電器時可以有效縮小產(chǎn)品尺寸，比如使目前的典型45W適配器設計可以采用25W或更小的外形設計。

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，截止2018年10月23日，市面上支持USB PD快充的手機達到52款，另有20款手機支持USB PD3.0（PPS）快充。以下是詳細的手機型號列表：

可以看到，幾乎所有主流的手機廠商都已將USB PD快充協(xié)議納入到了手機的充電配置。USB PD快充的手機已經(jīng)多達52款型號和覆蓋15個品牌，其中不乏蘋果、華為、小米、三星等一線大廠品牌。

從各大手機廠商和芯片原廠的布局來看，USB PD快充將成為目前手機、游戲機、筆記本電腦等電子設備的首選充電方案，而USB Type-C也將成為下一個十年電子設備之間電力與數(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、激光雷達讓無人駕駛更安全

激光雷達（LiDAR）使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或為周圍環(huán)境制作電子地圖。氮化鎵場效應晶體管相較MOSFET器件而言，開關速度快十倍，使得LiDAR系統(tǒng)具備優(yōu)越的解像度及更快速反應時間等優(yōu)勢，由于可實現(xiàn)優(yōu)越的開關轉(zhuǎn)換，因此可推動更高準確性。

這些性能推動全新及更廣闊的LiDAR應用領域的出現(xiàn)包括支持電玩應用的偵測實時動作、以手勢驅(qū)動指令的計算機及自動駕駛汽車等應用。

在大力研發(fā)和推進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，是目前激光雷達應用中硅元素的 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度。

讓我們描述道路前方的事物和變道的顏色預警。激光雷達能檢測前方路段是否有障礙物存在。通過激光雷達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都無法勝任這項工作，因為兩者各自身上都有短板和不足。

全球氮化鎵知名企業(yè)

在5G商用、消費類電源快充普及、無人駕駛等領域，氮化鎵已經(jīng)擁有的廣闊的應用空間。作為第三代半導體新技術，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)第一梯隊的國產(chǎn)半導體企業(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體硅基氮化鎵研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的高新技術企業(yè)，目前在中國珠海和蘇州擁有兩個研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化基地。

英諾賽科團隊人才匯聚，集合了國內(nèi)外眾多氮化鎵領域的精英，并通過不斷創(chuàng)新，在全世界范圍內(nèi)率先實現(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)品各項性能均達到國際領先水平。

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)、設計、生產(chǎn)、測試、銷售、市場、技術支持等在內(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)品進入市場，為當前中國第三代半導體制造的領軍企業(yè)。

2、Navitas納微半導體公司

Navitas Semiconductor（納微半導體公司）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。

納微擁有強大的功率半導體行業(yè)專家團隊，此前在電力電子領域就取得了非常傲人的成績。該公司累計獲得200多項已發(fā)布的專利，專有的 AllGaN工藝設計套件將最高性能的GaN FET與邏輯和模擬電路單片集成，可為移動、消費、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功率管理技術相關的經(jīng)驗。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任管理研發(fā)及制造職位外，期間更有長達十二年擔任該公司的首席執(zhí)行官。其后半導體技術的發(fā)展進程讓宜普公司的所有創(chuàng)辦人清楚知道硅技術已經(jīng)達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可以在電源轉(zhuǎn)換領域替代硅技術的信念， 這是由于氮化鎵技術具備無敵的速度、效率及低成本的優(yōu)勢。其實氮化鎵技術是一種具備優(yōu)越的晶體特性的使能技術，它可以實現(xiàn)的性能與硅技術相比較是1000 ：1 的比值。

氮化鎵市場前瞻

氮化鎵器件有什么缺點呢？缺點就是太貴了！

回顧前兩代半導體的演進發(fā)展過程，任何一代半導體技術從實驗室走向市場，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。第三代半導體的普及臨近，也讓我們有幸見證這一刻的到來。