隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)車、家用電器等產(chǎn)品更新?lián)Q代，產(chǎn)品的性能也越來(lái)越受重視，尤其是在功率設(shè)計(jì)方面。如何提升電源轉(zhuǎn)換能效，提高功率密度水平，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，成為了新一代電子產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)。

在這樣的背景下，一種新型的功率半導(dǎo)體——氮化鎵（GaN）的出現(xiàn)，或許會(huì)成為未來(lái)電子產(chǎn)業(yè)的“香餑餑”。

蟄伏20年的GaN，卻被雷布斯“一不小心”帶火

上個(gè)月剛結(jié)束的小米10發(fā)布會(huì)上，和小米10一同火起來(lái)的，還有小米創(chuàng)始人雷軍著重介紹額65W小米GaN充電器。雷軍夸其為“實(shí)在太方便了！”新品火起來(lái)的同時(shí)，還引起投資人對(duì)于第三代半導(dǎo)體的廣泛關(guān)注。

了解GaN之前，首先我們要弄清楚關(guān)于半導(dǎo)體材料的一些知識(shí)。半導(dǎo)體材料發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了第三代。

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）等元素的材料，常用在信息技術(shù)中的分立器件和集成電路中，電腦、手機(jī)、電視、航空航天、各類軍事工程等產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用。

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；以及有機(jī)半導(dǎo)體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

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。在應(yīng)用方面，根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域。在本文中重點(diǎn)介紹的GaN，并不存在于自然界，只能在實(shí)驗(yàn)室中制成。

在1998年，美國(guó)研制出GaN晶體管，資料顯示，GaN在室溫下帶隙為3．49eV（電子伏特）。一般來(lái)說，帶隙就是指禁帶寬度，是半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。

若禁帶寬度Eg＜ 2．3eV，則稱為窄禁帶半導(dǎo)體，如Ge、Si、GaAs以及InP；若禁帶寬度Eg＞2．3eV則稱為寬禁帶半導(dǎo)體，如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。

由于寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

以GaN為例，熔點(diǎn)高達(dá)1700℃。有人曾做過實(shí)驗(yàn)，在一般高溫情況下，GaN不會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，只有將其放置于氮?dú)饣蚝庵星覝囟瘸^1000℃時(shí)GaN才會(huì)慢慢揮發(fā)，證明GaN可以在較高的溫度下保持其穩(wěn)定性。這也是為什么GaN能被廣泛運(yùn)用在大功率半導(dǎo)體中的原因。

GaN產(chǎn)業(yè)鏈及應(yīng)用前景

與SiC產(chǎn)業(yè)鏈類似，GaN產(chǎn)業(yè)鏈可依次分為GaN襯底→GaN外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。從國(guó)內(nèi)外GaN產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，美國(guó)、日本成為GaN產(chǎn)業(yè)發(fā)展的佼佼者，中國(guó)企業(yè)入局者則為數(shù)不多。

（資料源自中泰證券研究所）

快充產(chǎn)品領(lǐng)域：GaN材料應(yīng)用范圍廣泛，最為人熟知的就是在快充產(chǎn)品領(lǐng)域。最初快充出現(xiàn)的時(shí)候還并不被大伙所看好，總感覺這么短時(shí)間內(nèi)充滿一塊電池，擔(dān)心電池爆炸。隨著快充逐漸升級(jí)為超級(jí)快充，充電時(shí)間越來(lái)越短，對(duì)于電池安全的隱憂雖然沒有徹底放下，但人們也越來(lái)越愿意接受。

（資料源自O(shè)Fweek、東吳證券研究所）

新型的GaN快充與傳統(tǒng)快充相比，由于GaN的材料特性能提供更高的能量轉(zhuǎn)化效率，降低了功耗，減小了充電時(shí)的發(fā)熱問題；GaN充電器擁有更大的功率密度，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的充電速度；此外，GaN充電器功率器件的開關(guān)頻率顯著高于傳統(tǒng)快充中的Si功率器件，因此可以實(shí)現(xiàn)體積更小的充電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

5G射頻領(lǐng)域：隨著5G技術(shù)的爆發(fā)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)射頻功率、功耗的要求進(jìn)一步提升，GaN將逐漸取代Si材料。在相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗戰(zhàn)、精確制導(dǎo)等軍事化場(chǎng)景中，GaN的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛。

市場(chǎng)研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole曾經(jīng)表示，2018年GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到4．57億美元，未來(lái)5年復(fù)合增長(zhǎng)率超過23％。在整個(gè)射頻應(yīng)用市場(chǎng)，GaN器件的市場(chǎng)份額將逐漸提高。長(zhǎng)期來(lái)看，在宏基站和回傳領(lǐng)域，憑借高頻高功率的性能優(yōu)勢(shì)，GaN將逐漸取代LDMOS和GaAs從而占據(jù)主導(dǎo)位。

電動(dòng)汽車、光伏等功率半導(dǎo)體領(lǐng)域：目前電動(dòng)汽車、光伏、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域使用的IGBT是硅基材料，如果未來(lái)氮化鎵技術(shù)取得突破，從而滲透進(jìn)IGBT半導(dǎo)體領(lǐng)域，那么將進(jìn)一步打開氮化鎵市場(chǎng)的天花板。

照明領(lǐng)域：半導(dǎo)體照明是目前國(guó)內(nèi)外非常受人矚目的一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，它將取代大部分傳統(tǒng)光源，又被稱為21世紀(jì)的能源革命．GaN能和NIn、NAl相互摻雜改變III族元素的比例，從而能使其發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋從紅光到紫外光的范圍，由此達(dá)到更高效率、高亮度的光源方面的應(yīng)用。

還存在哪些缺點(diǎn)？

雖然GaN相比于Si等材料更節(jié)能、更快，具備更好的恢復(fù)特性，但是仍然談不上徹底取代。由于若干原因，GaN并不常用于晶體管中，因?yàn)镚aN器件通常是耗盡型器件，當(dāng)柵極 － 源極電壓為零時(shí)它們會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通，這是一個(gè)問題。

其次，GaN器件極性太大，難以通過高摻雜來(lái)獲得較好的金屬－半導(dǎo)體的歐姆接觸，這是GaN器件制造中的一個(gè)難題，現(xiàn)在最好的解決辦法就是采用異質(zhì)結(jié)，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然后再采用高摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，但這種工藝很復(fù)雜。

小結(jié)

歐美等國(guó)家正在持續(xù)加大第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)支持力度，以GaN、SiC為首的第三代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用，是半導(dǎo)體以及下游電力電子、通訊等行業(yè)新一輪變革的突破口。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但在材料指標(biāo)、器件性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在一定差距，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)本土化、高端化的需求依然緊迫。