5G的到來將會給半導體材料帶來革命性的變化，無論是矽襯底還是碳化矽襯底，氮化镓(GaN)都將獲得快速發展。從2G到5G，通信頻率在不斷地向高頻發展，因此基站及通信設備對射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。在此背景下，氮化镓(GaN)必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度，以及優越的集成度成為5G技術的核心器件。

 

第三代半導體材料氮化镓(GaN)

氮化镓(GaN, Gallium Nitride)是一種直接帶隙半導體材料，硬度很高。氮化镓的帶隙為3.4 eV，而現今最常用的半導體材料矽的帶隙為1.12 eV
，因此氮化镓在高功率和高速器件中具有比矽器件更好的性能。

另外
，氮化镓對電磁輻射的敏感性較低
，氮化镓器件在輻射環境中顯示出很高的穩定性。相比砷化镓(GaAs)晶體管，氮化镓晶體管可以在高得多的溫度和電壓下工作，因此是理想的微波頻率功率放大器件。

 

作為第三代半導體材料，氮化镓(GaN)的研究和應用已經有20多年的曆史，但直到最近幾年才開始凸顯出其商業化的發展前景，5G無疑是背後的主要驅動力之一。5G通信的射頻前端有著高頻和高效率的嚴格要求，這正是氮化镓(GaN)的用武之地。另外，汽車電動化和便攜式電子產品快速而高效的充電需求也將驅動氮化镓(GaN)功率器件走向大眾市場，逐漸替代傳統的矽功率器件。

 

5G為GaN打開應用的“閘門”

5G的到來將會給半導體材料帶來革命性的變化，無論是矽襯底還是碳化矽襯底，氮化镓(GaN)都將獲得快速發展。從2G到5G
，通信頻率在不斷地向高頻發展，因此基站及通信設備對射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。在此背景下，氮化镓(GaN)必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度
，以及優越的集成度成為5G技術的核心器件。

 

據市場調研公司Yole Development預測
，全球GaN RF器件的市場規模到2024年將超過20億美元，其中無線通信和軍事應用占據絕大部分。

 

圖一：GaN RF器件的市場規模預測（來源：Yole Development）

 

氮化镓(GaN)向來以較高的功率處理能力而著稱，是基站、雷達和航空電子等無線通信設備的首選放大器材料
，在4G通信係統中也已經使用多年。在5G移動通信係統中，基站和手機終端的數據傳輸速率比4G更快，調製技術的頻譜利用率更高，這對RF前端器件和模塊提出了更高的要求。

 

GaN對比矽基LDMOS和GaAs

在射頻前端應用中，矽基LDMOS器件和砷化镓(GaAs)仍是主流器件，氮化镓(GaN)相對於它們有什麼優點和缺點呢
？成都氮矽科技創始人兼CTO羅鵬博士認為
，氮化镓(GaN)的高頻特性要優於砷化镓(GaAs)和LDMOS。LDMOS隻能用於3.5GHz以下的應用
，砷化镓雖然可以做到40GHz
，但(dan)所(suo)能(neng)提(ti)供(gong)的(de)功(gong)率(lv)非(fei)常(chang)有(you)限(xian)
，需(xu)要(yao)多(duo)級(ji)放(fang)大(da)疊(die)加(jia)才(cai)能(neng)達(da)到(dao)功(gong)率(lv)指(zhi)標(biao)，所(suo)以(yi)器(qi)件(jian)尺(chi)寸(cun)通(tong)常(chang)比(bi)較(jiao)大(da)。而(er)氮(dan)化(hua)镓(jia)在(zai)高(gao)頻(pin)下(xia)依(yi)然(ran)可(ke)以(yi)保(bao)證(zheng)高(gao)功(gong)率(lv)
，從(cong)而(er)可(ke)大(da)大(da)減(jian)少(shao)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)數(shu)量(liang)和(he)器(qi)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)。

 

 

此外
，氮化镓(GaN)的帶隙電壓比矽基LDMOS器件和砷化镓(GaAs)都高，GaN可以工作於28V或更高的電壓，而GaAs工作電壓為10V
，LDMOS約為6V。AMCOM通信公司CTO Ho. Huang認為，氮化镓具有更高的輸出功率性能，特別適合長距離通信的大功率應用。（此處插入頭像及人物簡介：AMCOM通信公司CTO Ho. Huang
，美國IEEE 會員）

 

意法半導體(ST)新材料和電源方案事業部的創新和關鍵項目戰略營銷總監Filippo Di Giovanni表示
，在現今的射頻前端電路中，GaAs仍然是高頻小信號器件的選擇基準，因為這種應用需要低噪聲係數。在這些應用中，GaAs取代了LDMOS器件
，基於GaAs的MMIC芯片集成開關和放大器已經廣泛用於智能手機和平板電腦等電池供電的便攜式設備。對於給定的輸出功率，雖然GaAs放大器的線性和失真度通常優於GaN放大器，但可以通過數字預失真技術幫助GaN在高頻下實現線性化。他預測，隨著GaN技術向更小的工藝節點演進
，在達到0.15um柵長時
，GaN將挑戰GaAs器件在便攜式無線應用中的主導地位。

 

 

圖二：氮化镓(GaN)在通信基站中的應用趨勢（來源：Yole Development）

 

相對於砷化镓和矽基LDMOS，氮化镓的成本依然過高

，特別是在RF應用中多以碳化矽(SiC)為襯底的情況下。砷化镓和矽基LDMOS現有的晶圓工藝可以做到8英寸
，甚至10和12英寸，但是GaN-on-SiC的主流芯片依然是6英寸的。雖然早在2015年業界已經成功將GaN生長在8英寸的SiC上
，但是良品率不高使得成本居高不下，依然不如6英寸的。

氮化镓(GaN)的成本劣勢阻礙了它的快速發展

，但其發展前景仍然樂觀。現在業界一些公司，包括國外的Macom和國內的英諾賽科
，正在將低成本的GaN-on-Si應用在RF器件上
，隨著製造工藝的提升和成本的下降
，相信氮化镓必將取代砷化镓和LDMOS
，現階段5G行業仍然需要傳統矽基半導體和新興第三代半導體的相互補充和共存發展。

 

包絡跟蹤技術需要GaN支持

在一個典型的基站中
，50％的電能是功率放大器（PA）消耗掉的，同時還需要體積較大的散熱係統來處理額外的熱量。雖然提高能效和減少散熱量一直是無線通信行業的要求，但對於2G/3G/4G網絡並非是當務之急。對於5G網絡就完全不同了，運營商希望頻譜利用率更高
，5G基站部署的密度也比以前更大，因此要求射頻信號的峰值平均功率比（PAPR）更高。然而，隨著PAPR的增大，PA的效率就會降低。

 

在以前的2G係統中
，調製方案僅針對工作頻率和相位，但沒有在幅度裏載入任何信息，換句話說，包絡是恒定的。3G
、4G和5G技術則采用不同的調製方法，包絡不再是恒定的。實際上，電源電壓和RF輸出信號之間的差異非常大
，致使恒壓供電的線性功放（LPA）無法實現高能效。為應對這一挑戰，包絡跟蹤（ET）技術就被引入進來了。

據宜普公司(EPC)創始人兼CEO Alex Lidow介紹，使PA獨立於PAPR而保持效率的一種方法是，僅在PA需要時才為其供電，即在峰值時提供高電壓，而在穀值時供應低電壓。利用eGaN FET來實現包絡跟蹤以便保持通信係統的PA效率已經超過5年了。
 

 

圖三：包絡跟蹤技術提高能效的示意圖（來源：EPC）

 

包絡跟蹤技術通過調製線性功放(LPA)的電源電壓，跟蹤射頻信號的包絡
，從而提高漏極能效(DE)。這將考驗包絡跟蹤的電源性能，因為PAPRbizhihebaoluoxinhaodaikuanbiandale。weiletigaonengxiao
，xuyaoyongkaiguanshizhuanhuanqidaitixianxingzhuanhuanqi。zhexiezhuanhuanqidekaiguanpinlvfeichanggao，yinweisuogenzongdewushizhenbaoluoxinhaodedaikuanfeichangkuan。liru，duiyu20 MHz(4G網絡)的帶寬，轉換器的開關頻率就要達到200 MHz。5G的包絡帶寬高達100MHz，轉換器的開關頻率要求更高。

 

當開關頻率非常高時，傳統矽基功率開關的性能受到高損耗和低能效的拖累，就顯得力不從心了。而GaN器件具有較低的寄生電容和更好的熱性能，因此更適合這些高頻應用。ST的Giovanni認為，受到5G青睞的包絡跟蹤技術將為GaN開啟快速發展之門。

 

氮化镓在電源管理上的性能優勢

氮化镓是一種寬禁帶(WBG)半導體材料，與傳統的矽半導體材料相比
，它能夠讓功率器件在更高的電壓、頻率和溫度下運行。在電源管理應用上，氮化镓的優勢包括：

1. 傳導損耗小
，能效高。氮化镓晶體管的導通電阻(Rds,on)shichuantongguiqijiandeyiban，zaixiangtongshuchudianliuxiasunhaogengxiao，nengxiaogenggao。disunhaotongshiyiweizhedifare，congerkeyiyouxiaodijianhuasanreqijianhereguanlixitongsheji。

2. 氮化镓晶體管內不含體二極管，沒有反向恢複損耗。

3. 氮化镓晶體管的輸入電荷非常小，幾乎沒有柵極驅動損耗。

4. 氮化镓功率器件可以支持更高的開關頻率(GaN：1MHz
，Si：<100KHz)

，從而減小無源器件的體積。

5. 氮化镓器件的功率密度很大
，能夠達到矽基LDMOS的四倍以上

，在減小體積的同時可以增大輸出功率。

 

英飛淩電源管理及多元化市場事業部大中華區高級市場經理陳清源對同為第三代半導體材料的氮化镓(GaN)和he碳tan化hua矽gui的de優you缺que點dian進jin行xing了le對dui比bi
，二er者zhe都dou具ju有you快kuai速su開kai關guan性xing能neng，有you助zhu於yu提ti高gao效xiao率lv，但dan是shi氮dan化hua镓jia比bi矽gui的de損sun耗hao低di。在zai應ying用yong場chang景jing下xia進jin一yi步bu對dui比bi可ke以yi發fa現xian，在zai高gao功gong率lv和he更geng高gao壓ya應ying用yong場chang景jing下xia，碳tan化hua矽gui體ti現xian出chu很hen好hao的de成cheng熟shu度du和he性xing價jia比bi；而在100V至600V的低中壓應用中，氮化镓就能夠發揮出更高的性價比。就結構來看，GaN是橫向結構(比如JFET)，很難達到SiC MOSFET(垂直結構)的高電壓能力。

 

 

GaN對dui於yu本ben征zheng是shi常chang關guan的de開kai關guan更geng具ju吸xi引yin力li，它ta代dai表biao著zhe迄qi今jin所suo用yong的de全quan部bu矽gui晶jing體ti管guan的de後hou續xu技ji術shu。此ci外wai，從cong整zheng體ti係xi統tong的de角jiao度du考kao慮lv
，氮dan化hua镓jia的de優you勢shi在zai於yu能neng夠gou使shi拓tuo撲pu結jie構gou變bian得de更geng加jia緊jin湊cou。英ying飛fei淩ling研yan發fa的deCoolGaN係列產品是一種GaN增強模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT)，非常適合高壓下運行更高頻率的開關，可以做到設計輕薄、功率密度進一步提高，從而使轉換效率有更大的提升，降低整個係統的成本。

 

安森美半導體戰略營銷總監Yong Ang進一步解釋說，GaN器件相比矽器件的寄生電容低
，因而可以降低門極電荷Qg相關的開關損耗
，使開關頻率提高到幾百kHz至MHz範圍，而不降低能效。與矽功率器件不同，GaN因為沒有體二極管，在鋁镓氮(AlGaN)/GaN邊界表麵的二維電子氣(2DEG)可以反向傳導電流

，但沒有反向恢複電荷QRR
，非常適合硬開關應用。由於GaN對過電壓的敏感性和相對於矽非常有限的雪崩能力
，特別適合半橋拓撲，其中漏源電壓鉗位到軌道電壓。GaN在諧振LLC、有源鉗位反激以及硬開關圖騰柱PFC等零電壓開關(ZVS)拓撲結構中具有很大的吸引力。

 

氮化镓(GaN)功率器件的市場驅動力

根據IHS市場調研報告預測
，GaN功率器件的市場增長快速，每年CAGR超過30% ，預計到2027市場規模將超過10 億美元。除5G通信市場外，汽車和工業市場也是氮化镓(GaN)功率器件的主要驅動力。即便在價格敏感的消費電子市場
，氮化镓(GaN)也帶來了一股清新力量。比如低功率的快充充電頭，已經有多家廠商成功地將實驗室中的氮化镓產品投放到市場，其中包括Anker的30W GaN充電器
，因為采用了來自Power Integration的GaN芯片PI SC1933C
，其體積比蘋果官方20W充電器縮小了40%。

 

圖四：采用GaN器件的充電器體積比傳統矽器件充電器縮小40%（來源：Anker）
 

而最近麵市的Anker PowerCore Fusion PD超級充則采用了納微半導體(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片。據納微半導體公司FAE和技術市場總監黃萬年介紹，GaN器件相對矽器件可以將開關頻率提高10倍，大大縮小被動元件的體積，特別是磁性元件，從而使得充電器的體積成倍的縮小。對於同樣大小的手機充電器
， 相對傳統矽方案，基於氮化镓的方案可以做到快5倍以上的充電速度。對於大功率無線充電的應用

，氮化镓的高頻特性也可以進一步提升係統效率。

 

 

 

現在大部分智能手機的無線充電都是采用無線充電聯盟(WPC)的Qi無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)標(biao)準(zhun)，但(dan)其(qi)充(chong)電(dian)速(su)度(du)慢(man)，而(er)且(qie)要(yao)求(qiu)發(fa)射(she)端(duan)和(he)接(jie)收(shou)端(duan)要(yao)精(jing)確(que)對(dui)齊(qi)，因(yin)此(ci)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)不(bu)是(shi)很(hen)好(hao)。磁(ci)共(gong)振(zhen)是(shi)一(yi)種(zhong)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，基(ji)於(yu)這(zhe)一(yi)原(yuan)理(li)的(de)Airfuel標準可以更快的速度為手機、平板、可穿戴設備及筆記本電腦等電子設備充電。這種無線充電標準采用6.78 MHz頻率，這對矽基MOSFET器件是個挑戰。宜普公司(EPC)的Alex Lidow認為eGaN FET器件和芯片可以更好地應對這一挑戰
，讓係統效率達到有線充電方案的水平。矽基MOSFET器件的實際充電效率隻有60-70%，而eGaN器件可以達到80-9%。

 

氮化镓(GaN)在設計和製造工藝上的技術挑戰

GaN器件無疑受益於現有類似CMOS的晶圓製造工藝，而且在不久的將來會遷移到8英寸晶圓生產線。但是

，在GaN上做外延層比在矽MOSFET上更複雜
，並且外延層對器件的動靜態電性能的影響更明顯。不同的廠商使用不同的功率GaN器件
，每種方案都有不同的柵極驅動器

、電流崩塌效應和封裝。

 

在製造方麵
，因為氮化镓和襯底材料Si的晶格匹配度差，生長時會出現崩塌而導致良品率低。在設計方麵，氮化镓晶體管(增強型氮化镓)的柵極需要驅動才能做到正常的開關，而氮化镓的柵極電壓閾值和最大電壓都很小，所以非常容易誤開啟，在設計上有非常大的難度。

 

英飛淩的陳清源認為，GaN器件所麵臨的主要挑戰是可靠性、成cheng本ben以yi及ji驅qu動dong等deng問wen題ti。氮dan化hua镓jia是shi常chang開kai型xing器qi件jian，難nan以yi被bei客ke戶hu所suo應ying用yong和he接jie受shou，因yin為wei用yong戶hu已yi經jing習xi慣guan於yu矽gui器qi件jian的de常chang閉bi型xing設she計ji理li念nian。為wei了le解jie決jue這zhe一yi設she計ji問wen題ti，英ying飛fei淩ling在zai技ji術shu細xi節jie和he工gong藝yi上shang做zuo了le一yi些xie改gai進jin，在zai柵zha極ji加jia了leP-
，做出了市場比較容易接受的常閉型器件。另一方麵，氮化镓的動態導通電阻Rds(on)是業界所麵臨的棘手問題，原因是很多電子在開關的時候被漏級的電子陷在裏麵不流通。英飛淩通過引入P-把表麵的電子中和掉，從根本上解決了這個技術難題。

另(ling)外(wai)

，氮(dan)化(hua)镓(jia)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)驅(qu)動(dong)也(ye)要(yao)考(kao)慮(lv)一(yi)些(xie)特(te)殊(shu)性(xing)。首(shou)先(xian)，氮(dan)化(hua)镓(jia)一(yi)定(ding)要(yao)有(you)一(yi)個(ge)穩(wen)態(tai)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)流(liu)來(lai)保(bao)持(chi)它(ta)的(de)開(kai)通(tong)，然(ran)後(hou)需(xu)要(yao)負(fu)脈(mai)衝(chong)來(lai)關(guan)斷(duan)，這(zhe)就(jiu)對(dui)電(dian)源(yuan)驅(qu)動(dong)設(she)計(ji)造(zao)成(cheng)了(le)極(ji)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。並(bing)非(fei)所(suo)有(you)的(de)設(she)計(ji)公(gong)司(si)都(dou)有(you)很(hen)好(hao)的(de)研(yan)發(fa)能(neng)力(li)來(lai)驅(qu)動(dong)氮(dan)化(hua)镓(jia)器(qi)件(jian)

，如(ru)果(guo)驅(qu)動(dong)不(bu)好(hao)
，它(ta)的(de)優(you)勢(shi)就(jiu)不(bu)能(neng)最(zui)大(da)化(hua)。

 

國內廠商在氮化镓(GaN)市場的機會

目(mu)前(qian)

，氮(dan)化(hua)镓(jia)增(zeng)長(chang)最(zui)快(kuai)的(de)要(yao)數(shu)快(kuai)充(chong)市(shi)場(chang)。隨(sui)著(zhe)手(shou)機(ji)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)
，大(da)功(gong)率(lv)的(de)快(kuai)充(chong)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)
，而(er)傳(chuan)統(tong)矽(gui)材(cai)料(liao)受(shou)限(xian)於(yu)體(ti)積(ji)以(yi)及(ji)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)極(ji)限(xian)無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)市(shi)場(chang)需(xu)要(yao)
，氮(dan)化(hua)镓(jia)通(tong)過(guo)自(zi)身(shen)的(de)優(you)勢(shi)迅(xun)速(su)吸(xi)引(yin)了(le)市(shi)場(chang)。但(dan)是(shi)，目(mu)前(qian)中(zhong)國(guo)氮(dan)化(hua)镓(jia)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)市(shi)場(chang)還(hai)處(chu)於(yu)起(qi)步(bu)階(jie)段(duan)，市(shi)場(chang)對(dui)於(yu)氮(dan)化(hua)镓(jia)的(de)認(ren)識(shi)還(hai)不(bu)夠(gou)，並(bing)且(qie)氮(dan)化(hua)镓(jia)自(zi)身(shen)的(de)成(cheng)本(ben)還(hai)太(tai)高(gao)。但(dan)隨(sui)著(zhe)矽(gui)基(ji)氮(dan)化(hua)镓(jia)成(cheng)本(ben)的(de)降(jiang)低(di)以(yi)及(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)
，采(cai)用(yong)氮(dan)化(hua)镓(jia)材(cai)料(liao)的(de)快(kuai)充(chong)充(chong)電(dian)器(qi)必(bi)將(jiang)成(cheng)為(wei)行(xing)業(ye)的(de)主(zhu)流(liu)。

 

同時，氮化镓在大功率市場的需求也非常巨大
，尤其在5G基站供電模塊，以及新能源汽車車載充電(OBC)領域

，國內和國際廠商都將目光瞄準了這些市場。隨著汽車的電動化，GaN在汽車領域的應用前景特別值得期待。中國是世界上最大的電動汽車市場之一

，這也將促進GaN器件在中國市場的應用發展。

 

羅(luo)鵬(peng)博(bo)士(shi)認(ren)為(wei)，目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)氮(dan)化(hua)镓(jia)供(gong)應(ying)商(shang)並(bing)不(bu)多(duo)，有(you)很(hen)多(duo)公(gong)司(si)是(shi)將(jiang)建(jian)立(li)氮(dan)化(hua)镓(jia)工(gong)藝(yi)線(xian)作(zuo)為(wei)宣(xuan)傳(chuan)噓(xu)頭(tou)，真(zhen)正(zheng)能(neng)夠(gou)量(liang)產(chan)氮(dan)化(hua)镓(jia)功(gong)率(lv)或(huo)者(zhe)射(she)頻(pin)芯(xin)片(pian)的(de)公(gong)司(si)如(ru)鳳(feng)毛(mao)麟(lin)角(jiao)。原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)氮(dan)化(hua)镓(jia)生(sheng)產(chan)線(xian)技(ji)術(shu)門(men)檻(kan)和(he)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)過(guo)高(gao)，而(er)且(qie)氮(dan)化(hua)镓(jia)市(shi)場(chang)目(mu)前(qian)並(bing)不(bu)成(cheng)熟(shu)，應(ying)用(yong)設(she)計(ji)公(gong)司(si)依(yi)然(ran)偏(pian)少(shao)。同(tong)時(shi)也(ye)應(ying)該(gai)看(kan)到(dao)，國(guo)內(nei)依(yi)然(ran)有(you)像(xiang)珠(zhu)海(hai)英(ying)諾(nuo)賽(sai)科(ke)和(he)廈(sha)門(men)三(san)安(an)集(ji)成(cheng)這(zhe)樣(yang)的(de)氮(dan)化(hua)镓(jia)供(gong)應(ying)商(shang)，勇(yong)於(yu)創(chuang)新(xin)
，在(zai)努(nu)力(li)降(jiang)低(di)氮(dan)化(hua)镓(jia)的(de)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)
，同(tong)時(shi)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)氮(dan)化(hua)镓(jia)的(de)性(xing)能(neng)。

 

結語

從cong市shi場chang應ying用yong來lai看kan，在zai未wei來lai相xiang當dang長chang一yi段duan時shi期qi內nei，矽gui器qi件jian仍reng是shi市shi場chang的de主zhu流liu
，而er在zai一yi些xie矽gui材cai料liao所suo不bu能neng達da到dao的de高gao性xing能neng產chan品pin中zhong
，碳tan化hua矽gui和he氮dan化hua镓jia可ke以yi作zuo為wei很hen好hao的de技ji術shu補bu充chong。所suo以yi矽gui、碳化矽和氮化镓的市場會同時
、同步發展，不可或缺。雖然氮化镓在設計和製造工藝上還麵臨諸多挑戰，但5G和汽車市場的需求將驅動著氮化镓器件的成本降低，逐漸為市場接受而進入大眾化市場。