近年來,，由于氮化鎵(GaN)在高頻下的較高功率輸出和較小的占位面積,，GaN已被RF工業(yè)大量采用,。根據(jù)兩個(gè)主要應(yīng)用：電信基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防,，推動(dòng)整個(gè)氮化鎵射頻市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2024年成長(zhǎng)至20億美元,，產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)Yole Développement(Yole)的研究報(bào)告指出,，過去十年，全球電信基礎(chǔ)設(shè)施投資保持穩(wěn)定,，在該市場(chǎng)中,，更高頻率的趨勢(shì)為5G網(wǎng)路中頻率低于6GHz的PA中的RF GaN提供了一個(gè)最佳發(fā)展的動(dòng)力。
自從20年前第一批商用產(chǎn)品出現(xiàn)以來,，GaN已成為射頻功率應(yīng)用中LDMOS和GaAs的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,，并以更低的成本不斷提高性能和可靠性。第一個(gè)GaN-on-SiC和GaN-on-Si元件幾乎同時(shí)出現(xiàn),，但GaN-on-SiC在技術(shù)上已經(jīng)變得更加成熟,。GaN-on-SiC目前主導(dǎo)GaN射頻市場(chǎng)，已滲透到4G LTE無線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng),，預(yù)計(jì)將部署在5G 6GHz以下的RRH架構(gòu)中,。然而,，與此同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)高效的LDMOS技術(shù)方面也取得了顯著進(jìn)展,，這可能會(huì)挑戰(zhàn)5G sub-6Ghz主動(dòng)式天線和大規(guī)模MIMO部署中的GaN解決方案,。
GaN市場(chǎng)整體規(guī)模再2018年約6.45億美元，無線通訊應(yīng)用約3.04億美元,、軍事約2.7億美元,，航太應(yīng)用3700萬美元為三大主要應(yīng)用，2024年整體市場(chǎng)將成長(zhǎng)至200.13億美元,，年復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)21%,，無線通訊應(yīng)用規(guī)模達(dá)7.52億美元，軍事應(yīng)用為9.77億美元,，值得注意的是RF Energy將從200萬美元成長(zhǎng)至1.04億美元,。
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GaN屬于第三代高大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比,，其在特性上優(yōu)勢(shì)突出,。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高,，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作,，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高,；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場(chǎng),，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利與提升器件整體的能效,；電子飽和速度快,，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作,。
因此,，利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益,、更高能效,、尺寸更小的半導(dǎo)體器件，這與半導(dǎo)體行業(yè)一貫的“調(diào)性”是吻合的,。
與GaN相比,，實(shí)際上同為第三代半導(dǎo)體材料的SiC的應(yīng)用研究起步更早，而之所以GaN近年來更為搶眼,，主要的原因有兩點(diǎn),。
首先，GaN在降低成本方面顯示出了更強(qiáng)的潛力,。目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件,，以替代昂貴的SiC襯底,。有分析預(yù)測(cè)到2019年GaN MOSFET的成本將與傳統(tǒng)的Si器件相當(dāng)，屆時(shí)很可能出現(xiàn)一個(gè)市場(chǎng)拐點(diǎn),。并且該技術(shù)對(duì)于供應(yīng)商來說是一個(gè)有吸引力的市場(chǎng)機(jī)會(huì),，它可以向它們的客戶提供目前半導(dǎo)體工藝材料可能無法企及的性能。
其次,，由于GaN器件是個(gè)平面器件,，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成,。比如有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開關(guān)管的集成,，進(jìn)一步降低用戶的使用門檻。
正是基于GaN的上述特性,，越來越多的人看好其發(fā)展的后勢(shì),。特別是在幾個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)中，GaN都表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)臐B透力,。
1.GaN在5G方面的應(yīng)用
射頻氮化鎵技術(shù)是5G的絕配,，基站功放使用氮化鎵。氮化鎵（GaN）,、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是射頻應(yīng)用中常用的半導(dǎo)體材料,。
與砷化鎵和磷化銦等高頻工藝相比，氮化鎵器件輸出的功率更大,；與LDCMOS和碳化硅（SiC）等功率工藝相比，氮化鎵的頻率特性更好,。氮化鎵器件的瞬時(shí)帶寬更高,，這一點(diǎn)很重要，載波聚合技術(shù)的使用以及準(zhǔn)備使用更高頻率的載波都是為了得到更大的帶寬,。
與硅或者其他器件相比,，氮化鎵速度更快。GaN可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度,。對(duì)于既定功率水平,，GaN具有體積小的優(yōu)勢(shì)。有了更小的器件,，就可以減小器件電容,，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加輕松。射頻電路中的一個(gè)關(guān)鍵組成是PA（Power Amplifier,，功率放大器）,。
從目前的應(yīng)用上看，功率放大器主要由砷化鎵功率放大器和互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體功率放大器（CMOS PA）組成,，其中又以GaAs PA為主流,，但隨著5G的到來,，砷化鎵器件將無法滿足在如此高的頻率下保持高集成度。
于是,，GaN成為下一個(gè)熱點(diǎn),。氮化鎵作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，可承受更高的工作電壓,，意味著其功率密度及可工作溫度更高,，因而具有高功率密度、低能耗,、適合高頻率,、支持寬帶寬等特點(diǎn)。
高通公司總裁Cristiano Amon 在2018 高通4G / 5G 峰會(huì)上表示：預(yù)計(jì)明年上半年和年底圣誕新年檔期將會(huì)是兩波5G 手機(jī)上市潮,，首批商用5G 手機(jī)即將登場(chǎng),。據(jù)介紹，5G 技術(shù)預(yù)計(jì)將提供比目前的4G 網(wǎng)絡(luò)快10 至100 倍的速度,，達(dá)到每秒千兆的級(jí)別,，同時(shí)能夠更為有效地降低延遲。
在5G的關(guān)鍵技術(shù)Massive MIMO應(yīng)用中,，基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如32/64等）的陣列天線來實(shí)現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性,，這種架構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元陣列配套，因此射頻器件的數(shù)量將大為增加,，器件的尺寸大小很關(guān)鍵,，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高集化的解決方案,，如模塊化射頻前端器件,。
同時(shí)在5G毫米波應(yīng)用上，GaN的高功率密度特性在實(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下,，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸,。實(shí)現(xiàn)性能成本的最優(yōu)化組合。
除了基站射頻收發(fā)單元陳列中所需的射頻器件數(shù)量大為增加,，基站密度和基站數(shù)量也會(huì)大為增加,，因此相比3G、4G時(shí)代,，5G時(shí)代的射頻器件將會(huì)以幾十倍,、甚至上百倍的數(shù)量增加，因此成本的控制非常關(guān)鍵,，而硅基氮化鎵在成本上具有巨大的優(yōu)勢(shì),，隨著硅基氮化鎵技術(shù)的成熟，它能以最大的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)取得市場(chǎng)的突破,。
2.GaN在快充市場(chǎng)的應(yīng)用
隨著電子產(chǎn)品的屏幕越來越大,，充電器的功率也隨之增大,，尤其是對(duì)于大功率的快充充電器，使用傳統(tǒng)的功率開關(guān)無法改變充電器的現(xiàn)狀,。
而GaN技術(shù)可以做到,，因?yàn)樗悄壳叭蜃羁斓墓β书_關(guān)器件，并且可以在高速開關(guān)的情況下仍保持高效率水平,，能夠應(yīng)用于更小的元件,，應(yīng)用于充電器時(shí)可以有效縮小產(chǎn)品尺寸，比如使目前的典型45W適配器設(shè)計(jì)可以采用25W或更小的外形設(shè)計(jì),。
氮化鎵充電器可謂吸引了全球眼球,，高速高頻高效讓大功率USB PD充電器不再是魁梧磚塊，小巧的體積一樣可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出,，比APPLE原廠30W充電器更小更輕便,。
將內(nèi)置氮化鎵充電器與傳統(tǒng)充電器并排放在一起看看，內(nèi)置氮化鎵充電器輸出功率達(dá)到27W,，APPLE USB-C充電器輸出功率30W,，兩者功率相差不大，但體積上卻是完全不同的級(jí)別,，內(nèi)置氮化鎵充電器比蘋果充電器體積小40%,。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2018年10月23日,，市面上支持USB PD快充的手機(jī)達(dá)到52款,，幾乎所有主流的手機(jī)廠商都已將USB PD快充協(xié)議納入到了手機(jī)的充電配置，其中不乏蘋果,、華為,、小米、三星等一線大廠品牌,。
從各大手機(jī)廠商和芯片原廠的布局來看，USB PD快充將成為目前手機(jī),、游戲機(jī),、筆記本電腦等電子設(shè)備的首選充電方案，而USB Type-C也將成為下一個(gè)十年電子設(shè)備之間電力與數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ唤涌?，USB PD快充協(xié)議大一統(tǒng)的局面即將到來,。
3.GaN在無人駕駛技術(shù)中的應(yīng)用
激光雷達(dá)（LiDAR）使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或?yàn)橹車h(huán)境制作電子地圖。氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相較MOSFET器件而言,，開關(guān)速度快十倍,，使得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)，由于可實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的開關(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)駕駛汽車等應(yīng)用。
在大力研發(fā)和推進(jìn)自動(dòng)化汽車普及過程中,，汽車廠商和科技企業(yè)都在尋覓傳感器和攝像頭之間的最佳搭配組合,，有效控制成本且可以大批量生產(chǎn)的前提下，最大限度的提升對(duì)周圍環(huán)境的感知和視覺能力,。
氮化鎵的傳輸速度明顯更快,，是目前激光雷達(dá)應(yīng)用中硅元素的100 甚至1000 倍。這樣的速度意味著拍攝照片的速度,，照片的銳度以及精準(zhǔn)度,。
讓我們描述道路前方的事物和變道的顏色預(yù)警。激光雷達(dá)能檢測(cè)前方路段是否有障礙物存在,。通過激光雷達(dá)你能夠更全面地了解地形變化,，一些你無法看到的地形。而單純的使用攝像頭或者雷達(dá)都無法勝任這項(xiàng)工作,，因?yàn)閮烧吒髯陨砩隙加卸贪搴筒蛔恪?/p>
4.GaN在國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用
雷神宣布將開始在新生產(chǎn)的Guidance Enhanced Missile-TBM（GEM-T）攔截器中使用氮化鎵（GaN）計(jì)算機(jī)芯片,，以取代目前在導(dǎo)彈發(fā)射器中使用的行波管（TWT）。雷神希望通過使用GaN芯片升級(jí)GEM-T的發(fā)射器,，提高攔截器的可靠性和效率,。此外，在新生產(chǎn)導(dǎo)彈中過渡到GaN意味著發(fā)射器不需要在攔截器的使用壽命期間更換,。
雷神公司的GEM-T導(dǎo)彈是美國(guó)陸軍愛國(guó)者空中和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的支柱,，用于對(duì)付飛機(jī)和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈。近些年來,，雷神一直致力于推動(dòng)GaN功率和效率向更高極限發(fā)展,。
新發(fā)射器具有與舊發(fā)射器相同的外形和功能，不需要額外的冷卻,，并且可以在通電幾秒鐘內(nèi)運(yùn)行,。這意味著采用新型GaN發(fā)射器的GEM-T將能夠繼續(xù)在最苛刻的條件下運(yùn)行。
這種發(fā)射器技術(shù)也可能會(huì)在其他導(dǎo)彈上看到其他測(cè)試,。陸軍表示有興趣用這些類型的發(fā)射器取代整個(gè)庫存,，在GEM-T計(jì)劃中采用這些發(fā)射器能夠?qū)⑿迯?fù)成本降低36％。
目前,，氮化鎵已經(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)，也是全球各國(guó)爭(zhēng)相角逐的市場(chǎng),，并且市面上已經(jīng)形成了多股氮化鎵代表勢(shì)力,，其中第一梯隊(duì)有英諾賽科、納微、EPC等代表企業(yè),。其中英諾賽科是目前全球首家采用8英寸增強(qiáng)型硅氮化鎵外延與芯片大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè),，也是躋身氮化鎵產(chǎn)業(yè)第一梯隊(duì)的國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)代表。
然而,，現(xiàn)在還有什么是阻礙氮化鎵器件發(fā)展的不利因素呢,？
兩個(gè)字：太貴！
回顧前兩代半導(dǎo)體的演進(jìn)發(fā)展過程,，任何一代半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng),，都面臨商用化的挑戰(zhàn)。目前氮化鎵也處于這一階段,，成本將會(huì)隨著市場(chǎng)需求量加速,、大規(guī)模生產(chǎn)、工藝制程革新等,，而走向平民化,，而最終的市場(chǎng)也將會(huì)取代傳統(tǒng)的硅基功率器件。8英寸硅基氮化鎵的商用化量產(chǎn),，可以大幅降低成本,。第三代半導(dǎo)體的普及臨近，也讓我們有幸見證這一刻的到來,。