一文了解！氮化镓在5G技术中应用中有多广

对于5G技术，全球都为之振奋。5G可带来比4G LTE快20倍的闪电般速度，并可开启一系列超乎我们想象的创新应用和机遇。但它也要求对现有网络基础设施进行改革——特别是射频电源应用。GaN技术是驱动这种新型基础设施的关键。氮化镓(GaN)是一种商业应用相对较新的半导体。它的功率效率、功率密度和处理更宽频率范围的能力，使其非常适合大规模MIMO基站。

参考来源：Pexels

今天，我们要探讨GaN作为半导体的价值、其产业链分布情况、主要生产工艺难题，以及我们对GaN应用有何期待。

1 氮化镓半导体的价值

氮化镓(GaN)是一种宽带隙复合半导体材料，其特性如下。

（1）击穿电场强度高，极大提高了氮化镓功率器件的电流密度和耐压容量，同时降低了导通损耗。

（2）带隙宽、禁带宽度大，大大降低了氮化镓半导体器件的泄露电流，并使其具有抗辐射特性。同时带隙较宽意味着氮化镓可以承受高电压，高电压意味着可以实现高功率的应用、高输出能量密度和高耐温特性。

（3）热导率高，散热性能优异，代表着氮化镓器件集成度和功率密度可以高于传统元器件。

（4）电子饱和漂移速度快，可在更高的频率下工作。

（5）介电常数小，可降低集成电路的漏电电流，降低导线之间的电容效应，降低集成电路的发热。

（6）化学性能稳定，不易腐蚀。

（7）类纤锌矿结构，高硬度。

这些特性将氮化镓推入了5G射频的聚光灯下。GaN能更好地支持电子产品轻量化，举例来说，与目前随处常见的充电器相比，采用GaN晶体管的PC机电源适配器更小、更轻。据第三方测算，在使用GaN器件后，标准手机充电器最多可瘦身40%，或者在相同尺寸条件下输出更大的功率，在能效和功率密度方面也可以取得类似的性能提升，适用于消费、工业、汽车等各种电子产品。

2 GaN半导体产业链

GaN半导体产业链各环节依次为：GaN单晶衬底→GaN材料外延→器件设计→器件制造。

（1）GaN单晶衬底

GaN衬底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到90%以上。国内已经小批量生产2英寸衬底，具备4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸衬底样品，国内的纳维科技、中镓半导体公司也有能力生产提供相关的产品。

（2）GaN外延片

GaN外延片相关企业主要有比利时的Epi⁃GaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光，苏州晶湛2014年就已研发出8英寸硅基外延片，现阶段已能批量生产，2018年12月聚能晶源成功研制了8英寸硅基GaN（GaN-on-Si）外延晶圆。

（3）GaN器件

GaN器件设计厂商方面，有美国的EPC、MA⁃COM、Transphom、Navitas，德国的Dialog，国内有被中资收购的安谱隆（Ampleon）等。

全球GaN射频器件独立设计生产供应商（IDM）中，住友电工和Cree是行业的龙头企业，市场占有率均超过30%，其次为Qorvo和MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大，其已成为华为核心供应商，为华为GaN射频器件最大供应商。此外，还有法国Exagan、荷兰NXP、德国英飞凌、日本三菱电机、美国Ⅱ-Ⅵ等。

3 氮化镓器件主要生产工艺

一种是Qorvo和大部分厂商都采用的基于碳化硅SiC作为衬底的氮化镓GaN射频工艺。

一种是Macom主导的基于硅Si作为衬底的氮化镓GaN射频工艺。

两种射频工艺各有利弊，根据Qorvo的说法，相比基于硅Si作为衬底的氮化镓GaN，基于碳化硅SiC作为衬底的氮化镓GaN射频工艺有着更高的功率密度和更好的热传导性。

4 需要解决的问题

①氮化镓半导体材料较传统硅半导体材料生产工艺相对复杂、成品率偏低。

②氮化镓半导体材料价格偏高，采用氮化镓半导体材料的MOS管价格是传统硅半导体材料价格的近20倍。

③大量的氮化镓半导体生产工艺及元器件专利掌握在欧美和日韩等国家手中，相当部分的关键器件也依赖进口。

5 氮化镓应用

通信领域：5G大功率基站GaN功率放大器主要应用于5G大功率基站中，解决了5G移动网络中面积小但数据流量请求相对集中的问题。5G毫米波基站GaN单片功率放大器，具有超大带宽和超低时延等特点。

电动汽车、光伏和智能电网等功率半导体领域：目前电动汽车、光伏、智能电网等领域使用的IGBT是硅基材料，未来氮化镓技术将进一步取得突破，渗透进IGBT半导体领域。另外目前很多手机的快速充电方案也采用了氮化镓方案。尤其在600V左右电压下，氮化镓在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的优势，这使得氮化镓材料的电源产品更为轻薄和高效率，且氮化镓充电插头体积小、功率高，有机会在未来统一手机的充电器和通信电源市场。

军用领域：目前已广泛应用于各种军用雷达器件中，尤其是新型战机的机载有源相控阵雷达器件上。

电子领域：氮化镓晶体管适用于高频、高压和高温等场合，基于氮化镓晶体管代替硅基MOSFET产生了带有同步整流功能的硬开关半桥DC/DC电源模块。使用氮化镓晶体管可以使DC/DC电源模块工作在较高频率而不会带来效率的大幅下降，同时使用小型LC滤波器即可实现低输出纹波，具有体积小、效率高、纹波小和动态响应速度快等优点。