GaN材料，在光電行業(yè)有哪些應(yīng)用？

導(dǎo)語(yǔ)

隨著小米推出GaN（GaN）充電器，GaN這種半導(dǎo)體材料開(kāi)始走進(jìn)大家的視野，成為今年備受關(guān)注的熱門(mén)材料之一，在GaN產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)生鯰魚(yú)效應(yīng)。

GaN除了快充細(xì)分領(lǐng)域，在微波射頻、電力電子和光電子等領(lǐng)域同樣有其用武之地。就像2017年iPhone的3D傳感應(yīng)用帶動(dòng)了上游垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的快速發(fā)展，如今快充市場(chǎng)的普及，是否會(huì)推動(dòng)GaN材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程？

那就跟隨我們，一起來(lái)了解下GaN及其產(chǎn)業(yè)情況吧。

GaN是什么？

首先，讓我們從他的名稱開(kāi)始了解。GaN是一種新型的半導(dǎo)體材料，中文名為GaN，英文名為 Gallium nitride，簡(jiǎn)稱GaN。

它是氮和鎵的化合物，從性質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它是一種非常堅(jiān)硬的材料，具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。早在1990年，GaN就被經(jīng)常用于發(fā)光二極管中。不過(guò)當(dāng)時(shí)因?yàn)橹谱鞴に囯y度高，所以并沒(méi)有被推廣使用。除了是一種直接能隙（Direct Bandgap）的半導(dǎo)體，它也是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料。在半導(dǎo)體材料中，與碳化硅（SiC）同被稱為“第三代半導(dǎo)體材料”。

小知識(shí)

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第一代半導(dǎo)體材料：主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料。

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第二代半導(dǎo)體材料：主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導(dǎo)體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體；有機(jī)半導(dǎo)體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

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第三代半導(dǎo)體材料：主要以碳化硅（SiC）氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

GaN有哪些優(yōu)勢(shì)？

與半導(dǎo)體材料中第一代的Si以及第二代的GaAs等相比，GaN功率器件的性能具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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轉(zhuǎn)換效率高

與硅這種材料進(jìn)行比較，GaN的禁帶寬度是其三倍，禁帶寬度大（3.4 eV），熱導(dǎo)率高（1.3 W/cm-K），因此工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強(qiáng)。禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。

這就意味著GaN可以承受更高的電壓，有更好的導(dǎo)電能力。因此，在相同體積下，GaN比硅的效率高出不少。如果GaN替換現(xiàn)在所有電子設(shè)備，可能會(huì)讓電子產(chǎn)品的用電量再減少10%或者25%。

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工作頻率高

同樣是與硅器件相比，GaN的工作頻率比硅高20倍左右。以數(shù)據(jù)來(lái)看的話，GaN可以工作在高頻段，這就使得整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)工作頻率從原來(lái)的50-60 kHz，提高到200-500 kHz及以上。開(kāi)關(guān)頻率是指充電頭內(nèi)部晶閘管,可控硅等電子元件,每秒可以完全導(dǎo)通、斷開(kāi)的次數(shù)。開(kāi)關(guān)頻率高可減小變壓器和電容的體積，有助于減小充電頭的體積和重量。

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工藝兼容性強(qiáng)

GaN器件是平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，因此更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開(kāi)關(guān)管的集成，進(jìn)一步降低用戶的使用門(mén)檻。

Yole Developpement功率電子暨化合物半導(dǎo)體事業(yè)單位經(jīng)理PierricGueguen認(rèn)為，碳化硅主要適用于600 V以上的高功率應(yīng)用，GaN則適用于200-600V中功率應(yīng)用。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，到了2020年，GaN將進(jìn)一步往600-900V發(fā)展，勢(shì)必會(huì)開(kāi)始與碳化硅產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

GaN能應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？

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消費(fèi)電子中的應(yīng)用

小米GaN充電器

今年一月美國(guó)的CES展會(huì)上，參展的GaN充電器已經(jīng)多達(dá)66款，華為、三星、蘋(píng)果、海思、中興微電子、華為、vivo等都有涉足。據(jù)Yole Developpement預(yù)計(jì)，2024年GaN電源市場(chǎng)產(chǎn)值將超過(guò)3.5億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)85%，當(dāng)中，GaN快充是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要力量。

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5G射頻技術(shù)中的應(yīng)用

GaN射頻器件

5G時(shí)代通訊頻段向高頻遷移，基站及通信設(shè)備對(duì)射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。當(dāng)前基站與無(wú)線回傳系統(tǒng)中使用的大功率射頻器件（功率大于3 W），主要有基于三種材料生產(chǎn)的器件：傳統(tǒng)的LDMOS（橫向擴(kuò)散MOS）、砷化鎵（GaAs），以及新興的GaN。

5G要求更高的功率、高達(dá)100 GHz的頻率范圍和更高的效率的目標(biāo)，GaN器件能提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需的功率/能效等級(jí)，其寬帶性能讓GaN大有用武之地。針對(duì)未來(lái)的大型基站功率放大器，GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）已成為備選技術(shù)。

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無(wú)人駕駛技術(shù)中的應(yīng)用

自動(dòng)駕駛中手勢(shì)控制

我們知道激光雷達(dá)使用激光脈沖快速形成三維圖像或?yàn)橹車(chē)h(huán)境制作電子地圖，速度與精確都是重要指標(biāo)。

要實(shí)現(xiàn)傳感器和攝像頭之間的最佳搭配，尋求成本控制與可以大批量生產(chǎn)的前提下，最大限度的提升對(duì)周?chē)h(huán)境的感知和視覺(jué)能力，GaN的應(yīng)用能夠起到良好效果。

GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管相較MOSFET器件而言，開(kāi)關(guān)速度快十倍，這就能夠讓LiDAR系統(tǒng)具備優(yōu)越的解像度及更快速反應(yīng)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，因此可推動(dòng)更高準(zhǔn)確性。這些性能推動(dòng)全新及更廣闊的LiDAR應(yīng)用領(lǐng)域的出現(xiàn)，包括支持電玩應(yīng)用的偵測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)作、以手勢(shì)驅(qū)動(dòng)指令的計(jì)算機(jī)及自動(dòng)駕駛汽車(chē)等應(yīng)用。

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在國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用

GaN近年來(lái)已經(jīng)成為在軍事應(yīng)用中啟用更高性能系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，例如有源電子掃描陣列（AESA）雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，都需要更大功率、更小體積和更有效的熱管理。美國(guó)的雷神（Raytheon）、諾斯洛普·格魯門(mén)（Northrop Grumman）、洛克希德馬?。↙ockheed Martin）等，歐洲的UMS、空中客車(chē)（Airbus）、薩博（Saab）等，以及中國(guó)電子科技集團(tuán)公司（CETC），都在推動(dòng)GaN的應(yīng)用。

此外，GaN在水下通信、激光顯示、醫(yī)療方面等都具有重要應(yīng)用價(jià)值。

GaN的產(chǎn)業(yè)發(fā)展

GaN的應(yīng)用從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，首先在LED領(lǐng)域大放異彩。目前，GaN已經(jīng)擁有了足夠廣闊的應(yīng)用空間。作為第三代半導(dǎo)體新技術(shù)，也受到眾多企業(yè)的熱捧。

我們從GaN產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，包括上游材料（包括襯底與外延）、中游的器件與模組、下游的系統(tǒng)和應(yīng)用。

在上游襯底領(lǐng)域，主要由日本和美國(guó)公司主導(dǎo)。例如，日本的住友電氣、三菱化學(xué)、古河電氣等；國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)包括蘇州納米所的蘇州納維和北京大學(xué)的東莞市中鎵半導(dǎo)體、以及中晶半導(dǎo)體等。

外延片領(lǐng)域，國(guó)外企業(yè)主要有日本同和、日本NTT-AT 、EpiGaN（已被法國(guó)Soitec收購(gòu)）、英國(guó)IQE公司等。國(guó)內(nèi)則有有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀(jì)金光，聚力成半導(dǎo)體等。

GaN射頻器件領(lǐng)域，國(guó)外企業(yè)主要有日本住友電工、美國(guó)科銳；國(guó)內(nèi)主要有東莞中晶、珠海英諾賽科、三安集成、蘇州能訊。其中，英諾賽科是目前全球首家采用8英寸增強(qiáng)型硅GaN外延與芯片大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)，也是躋身GaN產(chǎn)業(yè)第一梯隊(duì)的國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)代表，前景可期。

GaN電子器件中，包括國(guó)外德國(guó)英飛凌、美國(guó)安森美；國(guó)內(nèi)蘇州能華、大連芯冠、蘇州捷芯威。

GaN功率器件中，國(guó)外有德國(guó)英飛凌、美國(guó)安森美、美國(guó)德州儀器、美國(guó)Navitas、美國(guó)Power Integrations、加拿大GaN Systems；國(guó)內(nèi)華潤(rùn)微電子、杭州士蘭微。其中，納微半導(dǎo)體（Navitas）可為移動(dòng)、消費(fèi)、企業(yè)和新能源市場(chǎng)提供更小、更高能效和更低成本的電源。此次小米65WGaN充電器的核心器件采用的正是納微半導(dǎo)體的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC。而2019年9月，OPPO發(fā)布的65W 基于SuperVOOC 2.0技術(shù)的GaN快充采用的則是Power Integrations的PowiGaN系列的GaN芯片。

GaN光電器件中，代表公司有日本東芝，國(guó)內(nèi)有三安光電、中蕊光電、聚芯光電、晶能光電。

一直以來(lái)，不論是科研界還是產(chǎn)業(yè)界，都在不斷提升和改進(jìn)GaN在各種器件中的應(yīng)用效率，GaN光柵耦合器、GaN激光器、GaN光柵偏振分?jǐn)?shù)器、GaN基發(fā)光二極管、GaN基LED、GaN功率放大器等各種可以使用的場(chǎng)景都可以看到它的身影。2016年，歐司朗發(fā)布了最新款的GaN邊發(fā)射激光器，其電光轉(zhuǎn)化效率為在20%左右。所以，未來(lái)我們的研究方向可能還是不斷提高其電光轉(zhuǎn)換效率。有行業(yè)專家認(rèn)為，未來(lái)GaN EELD的目標(biāo)是將效率從當(dāng)前30%提高到60%以上，前景可觀。你認(rèn)為呢？