什么是氮化镓

WHAT IS GaN

第三代半导体材料和前两代有什么区别？

首先回答一下什么是第一代、第二代、第三代半导体材料，第一代半导体我们叫Si和Ge这种材料，第二代就是化合物半导体，像砷化镓(GaAs)、磷化铟（InP）等材料，第三代半导体就是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）这种宽禁带的半导体材料；第三代的特点就是从材料上来讲，它的禁带更宽，带来的优势就是它的击穿电压更高，功率密度更大，在射频、功率器件等领域有着巨大的优势。

GaN技术有望大幅改进传统Si器件的电源管理、发电和功率输出等应用。2005年电力电子领域管理了约 30％的能源，预计到2030年，这一数字将达到80%，相当于节约了30亿千瓦时以上的电能，这些电能可支持30多万个家庭使用一年。从智能手机充电器到数据中心，所有直接从电网获得电力的设备均可受益GaN技术，从而提高电源管理系统的效率和规模。

由于材料特性的差异，SiC在高于1200V的高电压、大功率应用具有优势，而GaN器件更适合 40-1200V的高频应用，尤其是在600V/3KW以下的应用场合。因此，在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS 等领域，GaN可以挑战传统 MOSFET 或 IGBT 器件的地位，让电源产品更为轻薄、高效。

GaN在5G方面的应用

射频氮化镓（GaN)技术是5G的绝配，基站功放使用氮化镓。氮化镓、砷化镓和磷化铟是射频应用中常用的半导体材料。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；与碳化硅等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高，这一点很重要，载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽；与硅或者其他器件相比，氮化镓速度更快。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更加轻松。从目前的应用上看，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，砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度。于是，GaN成为下一个热点。氮化镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高的工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率等特点。

GaN在快充市场的应用

下一代充电器领域，GaN在未来几年将在许多应用中取代硅，快充是第一个可以大规模生产的应用。在650V左右的电压下，GaN在芯片面积、电路效率和开关频率方面的表现明显好于Si，因此在PD充电器中可以用GaN来替代Si。5G 智能手机的屏幕越来越大，与之对应的是手机续航的需求越来越高，这意味着电池容量的增加。GaN快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。

GaN在无人驾驶技术中的应用

让人感到兴奋并可瞥见未来的自动驾驶，也是GaN的应用领域。在车顶上安装了用作车辆的“眼睛”的激光雷达（LiDAR）系统。LiDAR器件快速发射出控制光束，以及纪录光束从一个物体上反射回来到传感器的时间，并且可以确定这个物体的方向，从而制成在车辆四周的三维360度全景。激光光束的发射速度越快，LiDAR系统识别物体的能力或场景的分辨率将会更高。GaN技术在LiDAR系统中发挥非常重要的作用，相较Si MOSFET器件而言，开关速度快十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，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阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。

GaN在航天航海及防务中的应用

氮化镓（GaN）因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料，紫外光电芯片具备广泛的军民两用前景。典型应用有：灭火抑爆系统（地面坦克装甲车辆、舰船和飞机）、紫外制导、紫外告警、紫外通信、紫外搜救定位、飞机着舰（陆）导引、空间探测、核辐射和生物战剂监测、爆炸物检测等。民用领域，典型应用有：火焰探测、电晕放电检测、医学监测诊断、水质监测、大气监测、刑事生物检测等。