随着消费电子产品、电动车、家用电器等产品更新换代，产品的性能也越来越受重视，尤其是在功率设计方面。如何提升电源转换能效，提高功率密度水平，延长电池续航时间，成为了新一代电子产品面临的最大挑战。

　　在这样的背景下，一种新型的功率半导体——氮化镓(GaN)的出现，或许会成为未来电子产业的“香饽饽”。

　　蛰伏20年的GaN，却被雷布斯“一不小心”带火

　　上个月刚结束的小米10发布会上，和小米10一同火起来的，还有小米创始人雷军着重介绍额65W小米GaN充电器。雷军夸其为“实在太方便了!”新品火起来的同时，还引起投资人对于第三代半导体的广泛关注。

　　了解GaN之前，首先我们要弄清楚关于半导体材料的一些知识。半导体材料发展到现在已经进入了第三代。

　　第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)等元素的材料，常用在信息技术中的分立器件和集成电路中，电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程等产业中都得到了极为广泛的应用。

　　第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体)，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;以及有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

　　第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域。在本文中重点介绍的GaN，并不存在于自然界，只能在实验室中制成。

　　在1998年，美国研制出GaN晶体管，资料显示，GaN在室温下带隙为3.49eV(电子伏特)。一般来说，带隙就是指禁带宽度，是半导体材料的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构。

　　若禁带宽度Eg< 2.3eV，则称为窄禁带半导体，如Ge、Si、GaAs以及InP;若禁带宽度Eg>2.3eV则称为宽禁带半导体，如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。

　　由于宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

　　以GaN为例，熔点高达1700℃。有人曾做过实验，在一般高温情况下，GaN不会发生分解反应，只有将其放置于氮气或氦气中且温度超过1000℃时GaN才会慢慢挥发，证明GaN可以在较高的温度下保持其稳定性。这也是为什么GaN能被广泛运用在大功率半导体中的原因。

　　GaN产业链及应用前景

　　与SiC产业链类似，GaN产业链可依次分为GaN衬底→GaN外延→器件设计→器件制造。从国内外GaN产业发展来看，美国、日本成为GaN产业发展的佼佼者，中国企业入局者则为数不多。

　　(资料源自中泰证券研究所)

　　快充产品领域：GaN材料应用范围广泛，最为人熟知的就是在快充产品领域。最初快充出现的时候还并不被大伙所看好，总感觉这么短时间内充满一块电池，担心电池爆炸。随着快充逐渐升级为超级快充，充电时间越来越短，对于电池安全的隐忧虽然没有彻底放下，但人们也越来越愿意接受。

　　(资料源自OFweek、东吴证券研究所)

　　新型的GaN快充与传统快充相比，由于GaN的材料特性能提供更高的能量转化效率，降低了功耗，减小了充电时的发热问题;GaN充电器拥有更大的功率密度，能够实现更快的充电速度;此外，GaN充电器功率器件的开关频率显著高于传统快充中的Si功率器件，因此可以实现体积更小的充电器产品设计。

　　5G射频领域：随着5G技术的爆发，相关产业对射频功率、功耗的要求进一步提升，GaN将逐渐取代Si材料。在相控阵雷达、电子对抗战、精确制导等军事化场景中，GaN的运用也越来越广泛。

　　市场研究和战略咨询公司Yole曾经表示，2018年GaN射频器件市场规模达到4.57亿美元，未来5年复合增长率超过23%。在整个射频应用市场，GaN器件的市场份额将逐渐提高。长期来看，在宏基站和回传领域，凭借高频高功率的性能优势，GaN将逐渐取代LDMOS和GaAs从而占据主导位。

　　电动汽车、光伏等功率半导体领域：目前电动汽车、光伏、智能电网等领域使用的IGBT是硅基材料，如果未来氮化镓技术取得突破，从而渗透进IGBT半导体领域，那么将进一步打开氮化镓市场的天花板。

　　照明领域：半导体照明是目前国内外非常受人瞩目的一种新型的高效、节能和环保光源，它将取代大部分传统光源，又被称为21世纪的能源革命.GaN能和NIn、NAl相互掺杂改变III族元素的比例，从而能使其发光波长覆盖从红光到紫外光的范围，由此达到更高效率、高亮度的光源方面的应用。

　　还存在哪些缺点?

　　虽然GaN相比于Si等材料更节能、更快，具备更好的恢复特性，但是仍然谈不上彻底取代。由于若干原因，GaN并不常用于晶体管中，因为GaN器件通常是耗尽型器件，当栅极 - 源极电压为零时它们会产生导通，这是一个问题。

　　其次，GaN器件极性太大，难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，这是GaN器件制造中的一个难题，现在最好的解决办法就是采用异质结，首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些，然后再采用高掺杂来实现欧姆接触，但这种工艺很复杂。

　　小结

　　欧美等国家正在持续加大第三代半导体领域研发支持力度，以GaN、SiC为首的第三代半导体材料被广泛应用，是半导体以及下游电力电子、通讯等行业新一轮变革的突破口。

　　近年来，国内第三代半导体产业稳步发展，但在材料指标、器件性能等方面与国外先进水平仍存在一定差距，第三代半导体产业本土化、高端化的需求依然紧迫。