氮化鎵的分子式為GaN，是半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一種第三代半導(dǎo)體材料,。

芯片內(nèi)部的氮化鎵（GaN）和化學(xué)式結(jié)構(gòu),，來源/Verge Science 維基百科

與硅（Si）,、砷化鎵（GaAs）為代表的第一,、二代半導(dǎo)體材料相比,，GaN具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電壓以及更快的飽和電子漂移速率等物理性質(zhì),。

雖然近來GaN的熱度和呼聲很高,，但事實(shí)上這種材料并非新生物種,。

中微半導(dǎo)體設(shè)備有限公司技術(shù)負(fù)責(zé)人劉英斌告訴《IT時(shí)報(bào)》記者，早在100多年前GaN就被發(fā)現(xiàn)了,，在二十世紀(jì)90年代被日本日亞公司用于制作藍(lán)光LED,。

不過受限于當(dāng)時(shí)的制程工藝，GaN并沒有被廣泛運(yùn)用,。

2014年，中村修二,、赤崎勇和天野浩因發(fā)明“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),，圖片為中村修二和利用GaN制作的藍(lán)光二極管，來源/維基百科

物質(zhì)的性質(zhì),，決定了它的用途。目前,，GaN的應(yīng)用主要集中在功率,、光電和射頻等領(lǐng)域,。

電子創(chuàng)新網(wǎng)CEO張國斌表示，GaN的材料優(yōu)勢有很多,，既能大幅降低功耗,，又可以縮小體積，“氮化鎵最大的特點(diǎn)是耐高壓高溫,，損耗小,，600V以下未來將是氮化鎵的地盤?！?nbsp;

在劉英斌看來,，SiC（碳化硅）和GaN雖同處于第三代半導(dǎo)體材料的第一梯隊(duì),，但適用領(lǐng)域有所區(qū)別,，“GaN更適合高頻高溫的射頻領(lǐng)域,，SiC則適合電子電力領(lǐng)域，包括新能源電池,、直交流電變換,、變頻變速等,?！?/span>

GaN更適合高頻高溫的射頻領(lǐng)域，SiC則適合電子電力領(lǐng)域,，圖片來源/英飛凌

氮化鎵是自然界沒有的物質(zhì)，需要靠人工合成,。

劉英斌指出,，氮化鎵單晶的合成對反應(yīng)條件要求苛刻,，難度特別大，“在10000個(gè)大氣壓,、2000度高溫下，合成的氮化鎵單晶只能達(dá)到研究水平,?！?/span>

氮化鎵單晶,，圖片來源/Gallium nitride wafer

氮化鎵單晶材料成本很高，2英寸售價(jià)就高達(dá)每片萬元以上,。

因此,，商業(yè)方案中使用更多的是氮化鎵異質(zhì)外延片。藍(lán)寶石,、碳化硅和硅是目前主要的氮化鎵外延片異質(zhì)襯底材料。

晶圓的制作一般包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)。

在氮化鎵單晶襯底上長氮化鎵我們稱為同質(zhì)外延，在其他材料襯底上長氮化鎵我們稱為異質(zhì)外延片,，目前商業(yè)方案中使用更多的是氮化鎵異質(zhì)外延片,，圖為4英寸藍(lán)寶石襯底氮化鎵晶圓,，圖片來源/蘇州納維科技有限公司

其中藍(lán)寶石基氮化鎵廣泛被用來做LED，硅基氮化鎵用來做功率器件,，碳化硅基氮化鎵廣泛用于射頻領(lǐng)域,。

本次小米發(fā)售的快充頭,，就是硅基氮化鎵用于功率器件的一個(gè)典型應(yīng)用場景,。

劉英斌透露，不同襯底的氮化鎵外延片售價(jià)也有所不同,，藍(lán)寶石襯底工藝最為成熟,，4英寸的外延片只需100多元,，而碳化硅基則至少貴幾十倍。

氮化鎵單晶生產(chǎn)企業(yè)蘇州納維科技有限公司一工作人員告訴《IT時(shí)報(bào)》記者,，其公司生產(chǎn)的氮化鎵產(chǎn)品規(guī)格有2~4英寸,，目前在售主力產(chǎn)品為2英寸,，單片售價(jià)在1萬?2萬元之間,，4英寸產(chǎn)品多用于展示,，“炫技”的成分更多,。

中信證券報(bào)告稱,，隨著用戶對充電器通用性,、便攜性的需求提高,，未來GaN快充市場規(guī)模將快速上升。

預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場規(guī)模為23億元,，2025年將快速上升至638億元,，5年復(fù)合年均增長率高達(dá)94％,。

同時(shí),，綜合性能和成本兩個(gè)方面,，GaN也有望在未來成為消費(fèi)電子領(lǐng)域快充器件的主流選擇,。

當(dāng)然,，充電市場只是GaN應(yīng)用的“冰山一角”,。

憑借出色的功率性能,、頻率性能以及散熱性能,，GaN還可用于5G基站、電力系統(tǒng),、自動(dòng)駕駛等眾多功率和頻率有較高要求的場合。其中,，GaN與5G的結(jié)合堪稱絕配,。

張國斌也表示，射頻放大器會(huì)大量用到氮化鎵,，氮化鎵在射頻領(lǐng)域也很熱門,。

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,，其中又以砷化鎵PA為主流,。

盡管氮化鎵、砷化鎵和磷化銦（InP）是射頻應(yīng)用中常用的半導(dǎo)體材料,，但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和碳化硅等功率工藝相比,，氮化鎵的頻率特性更好。

這意味著,，采用氮化鎵材料的5G器件瞬時(shí)帶寬更高,，更直白地說,，如果5G基站中的射頻器件大規(guī)模使用氮化鎵器件后,，5G用戶的上網(wǎng)速度將得到進(jìn)一步提升和保障,。

更為重要的是，5G射頻收發(fā)單元陣列中,，一個(gè)5G基站常常擁有100多根天線，射頻器件數(shù)量大量增加,，所以器件的尺寸顯得尤為重要。

基站天線，圖片來源/piqsels

GaN尺寸小,、效率高,、功率密度大,，是實(shí)現(xiàn)高集成化的不二選擇,。

調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole認(rèn)為,，2022年氮化鎵功率器件的市場規(guī)模為4.62億美元。而在5G基站等建設(shè)的拉動(dòng)下,，到2024年氮化鎵射頻器件市場規(guī)模有望突破20億美元,。

在廣闊前景的召喚下,，GaN產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的材料（襯底和外延）、中游的器件和模組,、下游的系統(tǒng)和應(yīng)用等均將受益,。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈流程，圖片來源/半導(dǎo)體觀察

根據(jù)RESEARCHANDMARKETS預(yù)測,，氮化鎵器件市場預(yù)計(jì)至2023年將增長至224.7億美元,。

巨頭的布局已然在全面展開,。

據(jù)悉，氮化鎵硅基襯底主要供應(yīng)商有德國世創(chuàng),、日本信越化學(xué)、日本勝高等,。

日本電信公司研究所,、英國IQE和比利時(shí)的EpiGaN等則是硅基氮化鎵外延片的主要供應(yīng)商。

Bridg,、富士通,、臺(tái)積電等主要從事功率氮化鎵器件代工制造。

日前,，臺(tái)積電與ST意法半導(dǎo)體宣布,，雙方將合作加速GaN制程技術(shù)的開發(fā),，華虹宏力方面也向記者表示“密切關(guān)注GaN”,。

“在氮化鎵產(chǎn)業(yè)布局上，盡管國外廠商比較多,，但好在國內(nèi)廠商落得不是很靠后，很多企業(yè)已經(jīng)介入,，在產(chǎn)業(yè)鏈上下游都有布局?！?/p>

張國斌還表示,，目前所要面對的困難主要有兩點(diǎn),，一是氮化鎵制作難度比較大，成品率不是很理想,；二是氮化鎵成本比較高,，比硅基的半導(dǎo)體材料要貴很多，但隨著未來大規(guī)模普及,，成本肯定會(huì)降下來的,。

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作者／IT時(shí)報(bào)記者  李玉洋

編輯／挨踢妹

圖片／網(wǎng)絡(luò)

來源／《IT時(shí)報(bào)》公眾號vittimes