什么这么多人看好氮化镓（GaN）？长条办公灯

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什么这么多人看好氮化镓（GaN）

2022-02-26    

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　　半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年，一起上挟风带雨，好不风景。不外随着半导体工艺的特征尺寸日益迫近理论极限，摩尔定律对半导体行业的加速率已经显著放缓。

　　未来半导体手艺的提升，除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外，寻找硅(Si)以外新一代的半导体质料，也就成了一个主要偏向。在这个历程中，氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇，进入了人们的视野。

　　GaN和SiC同属于第三代高峻禁带宽度的半导体质料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等先进相比，其在特征上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下事情，能够承载更高的能量密度，可靠性更高;较大禁带宽度和绝缘损坏电场，使得器件导通电阻削减，有利与提升器件整体的能效;电子饱和速率快，以及较高的载流子迁徙率，可让器件高速地事情。

　　因此，行使GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件，这与半导体行业一向的“调性”是吻合的。

　　与GaN相比，现实上同为第三代半导体质料的SiC的应用研究起步更早，而之以是GaN近年来更为抢眼，主要的缘故原由有两点。

　　首先，GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力。现在主流的GaN手艺厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，以替换昂贵的SiC衬底。有剖析展望到2022年GaN MOSFET的成本将与传统的Si器件相当，届时很可能泛起一个市场拐点。而且该手艺对于供应商来说是一个有吸引力的市场时机，它可以向它们的客户提供现在半导体工艺质料可能无法企及的性能。

　　其次，由于GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。好比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。

　　正是基于GaN的上述特征，越来越多的人看好其生长的后势。稀奇是在几个要害市场中，GaN都显示出了相当的渗透力。

　　1.GaN在5G方面的应用

　　射频氮化镓手艺是5G的绝配，基站功放使用氮化镓。氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的半导体质料。

　　与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比，氮化镓的频率特征更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高，这一点很主要，载波聚合手艺的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了获得更大的带宽。

　　与硅或者其他器件相比，氮化镓速率更快。GaN可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平，GaN具有体积小的优势。有了更小的器件，就可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得加倍轻松。射频电路中的一个要害组成是PA(Power Amplifier，功率放大器)。

　　从现在的应用上看，功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器(CMOS PA)组成，其中又以GaAs PA为主流，但随着5G的到来，砷化镓器件将无法知足在云云高的频率下保持高集成度。

　　于是，GaN成为下一个热门。氮化镓作为一种宽禁带半导体，可遭受更高的事情电压，意味着其功率密度及可事情温度更高，因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。

　　高通公司总裁 Cristiano Amon 在2022 高通 4G / 5G 峰会上示意：预计明年上半年和年底圣诞新年档期将会是两波 5G 手机上市潮，首批商用 5G 手机即将登场。据先容，5G 手艺预计将提供比现在的 4G 网络快 10 至 100 倍的速率，到达每秒千兆的级别，同时能够更为有用地降低延迟。

　　在5G的要害手艺Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数目(如32/64等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和毗邻可靠性，这种架构需要响应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数目将大为增添，器件的尺寸巨细很要害，行使GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。

　　同时在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特征在实现相同笼罩条件及用户追踪功效下，可有用削减收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。

　　除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数目大为增添，基站密度和基站数目也会大为增添，因此相比3G、4G时代，5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数目增添，因此成本的控制异常要害，而硅基氮化镓在成本上具有伟大的优势，随着硅基氮化镓手艺的成熟，它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

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　　2.GaN在快充市场的应用

　　随着电子产物的屏幕越来越大，充电器的功率也随之增大，尤其是对于大功率的快充充电器，使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。

　　而GaN手艺可以做到，由于它是现在全球最快的功率开关器件，而且可以在高速开关的情形下仍保持高效率水平，能够应用于更小的元件，应用于充电器时可以有用缩小产物尺寸，好比使现在的典型45W适配器设计可以接纳25W或更小的形状设计。

　　氮化镓充电器可谓吸引了全球眼球，高速高频高效让大功率USB PD充电器不再是魁梧砖块，小巧的体积一样可以实现大功率输出，比APPLE原厂30W充电器更小更轻盈。

　　将内置氮化镓充电器与传统充电器并排放在一起看看，内置氮化镓充电器输出功率到达27W，APPLE USB-C充电器输出功率30W，两者功率相差不大，但体积上却是完全差其余级别，内置氮化镓充电器比苹果充电器体积小40%。

　　据不完全统计，停止2022年10月23日，市面上支持USB PD快充的手机到达52款，险些所有主流的手机厂商都已将USB PD快充协议纳入到了手机的充电设置，其中不乏苹果、华为、小米、三星等一线大厂品牌。

　　从各大手机厂商和芯片原厂的结构来看，USB PD快充将成为现在手机、游戏机、条记本电脑等电子装备的首选充电方案，而USB Type-C也将成为下一个十年电子装备之间电力与数据传输的唯一接口，USB PD快充协议大一统的事态即将到来。

　　3.GaN在无人驾驶手艺中的应用

　　激光雷达(LiDAR)使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子舆图。氮化镓场效应晶体管相较MOSFET器件而言，开关速率快十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反映时间等优势，由于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漠的LiDAR应用领域的泛起包罗支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的盘算机及自动驾驶汽车等应用。

　　在鼎力研发和推进自动化汽车普及历程中，汽车厂商和科技企业都在寻觅传感器和摄像头之间的最佳搭配组合，有用控制成本且可以大批量生产的条件下，最大限度的提升对周围环境的感知和视觉能力。

　　氮化镓的传输速率显著更快，是现在激光雷达应用中硅元素的 100 甚至 1000 倍。这样的速率意味着拍摄照片的速率，照片的锐度以及精准度。

　　让我们形貌蹊径前方的事物和变道的颜色预警。激光雷达能检测前方路段是否有障碍物存在。通过激光雷达你能够更周全地领会地形转变，一些你无法看到的地形。而单纯的使用摄像头或者雷达都无法胜任这项事情，由于两者各自身上都有短板和不足。

　　4.GaN在国防工业中的应用

　　雷神宣布将最先在新生产的Guidance Enhanced Missile-TBM(GEM-T)阻挡器中使用氮化镓(GaN)盘算机芯片，以取代现在在导弹发射器中使用的行波管(TWT)。雷神希望通过使用GaN芯片升级GEM-T的发射器，提高阻挡器的可靠性和效率。此外，在新生产导弹中过渡到GaN意味着发射器不需要在阻挡器的使用寿命时代替换。

　　雷神公司的GEM-T导弹是美国陆军爱国者空中和导弹防御系统的支柱，用于对于飞机和战术弹道导弹和巡航导弹。近些年来，雷神一直致力于推动GaN功率和效率向更高极限生长。

　　新发射用具有与旧发射器相同的形状和功效，不需要分外的冷却，而且可以在通电几秒钟内运行。这意味着接纳新型GaN发射器的GEM-T将能够继续在最苛刻的条件下运行。

　　这种发射器手艺也可能会在其他导弹上看到其他测试。陆军示意有兴趣用这些类型的发射器取代整个库存，在GEM-T设计中接纳这些发射器能够将修复成本降低36%。

　　现在，氮化镓已经拥有了足够广漠的应用空间。作为第三代半导体新手艺，也是全球各国争相角逐的市场，而且市面上已经形成了多股氮化镓代表势力，其中第一梯队有英诺赛科、纳微、EPC等代表企业。其中英诺赛科是现在全球首家接纳8英寸增强型硅氮化镓外延与芯片大规模量产的企业，也是跻身氮化镓产业第一梯队的国产半导体企业代表。

　　然而，现在另有什么是阻碍氮化镓器件生长的晦气因素呢?

　　两个字：太贵!

　　回首前两代半导体的演进生长历程，任何一代半导体手艺从实验室走向市场，都面临商用化的挑战。现在氮化镓也处于这一阶段，成本将会随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程刷新等，而走向平民化，而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。8英寸硅基氮化镓的商用化量产，可以大幅降低成本。第三代半导体的普及相近，也让我们有幸见证这一刻的到来。

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