GaN成为半导体界瞩目的焦点

氮化镓（GaN）

半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年，一路上挟风带雨的，好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限，摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓，为获得更细小“线宽”的投资，未必能够带来更划算的收益。

所以未来半导体技术的提升，除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外，寻找硅（Si）以外新一代的半导体材料，也就成了一个重要方向。在这个过程中，氮化镓（GaN）近年来作为一个高频词汇，进入了人们的视野。

GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比，其在特性上优势突出（见表1）。表中这些貌似高深的参数，最终会给半导体器件性能带来哪些直接影响，我们不妨“翻译”一下。

由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；较大禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利与提升器件整体的能效；电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。

因此，利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件，这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。

表1，不同半导体材料特性对比

与GaN相比，实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早，而之所以GaN近年来更为抢眼，主要的原因有两点。

首先，GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力，目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，以替代昂贵的SiC衬底。有分析预测到2019年GaN MOSFET的成本将与传统的 Si器件相当，届时很可能出现一个市场拐点。

其次，由于GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成，比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步降低用户的使用门槛。

正是基于GaN的上述特性，越来越多的人看好其发展的后势。特别是在几个关键市场中，GaN都表现出了相当的渗透力。

射频（RF）领域将是GaN的主战场。有分析指出，与目前在RF领域占统治地位的LDMOS器件相比，采用0.25微米工艺的GaN器件频率可高达其4倍，带宽可增加20%，功率密度可达6-8W/mm（LDMOS为1~2W/mm），且无故障工作时间可达100万小时，更耐用，综合性能优势明显。5G的商用无疑会是GaN在射频市场发展的一个驱动力。

根据市场研究机构Yole的预测，受5G网络部署的拉动，全球RF功率器件市场在2016年到2022年间将增长75%，年复合增长率达到9.8%；GaN将在未来5~10年成为3W以上RF功率应用的主流技术，而LDMOS的整体市场规模将下降到15%以下。

与此同时，我们会发现，在其他RF领域，也都会有GaN的身影，作为重要的升级换代技术，向原有的半导体器件发起挑战（详见表2）。从表2中可以看出，除了雷达等性能敏感型的应用，低成本的Si基GaN都有涉足，无疑会成为GaN开疆扩土的“功臣”。

在电力电子领域，GaN也找到了自己的位置。通常大家认为，由于材料特性的差异，SiC适用于高于1200V以上的高电压大功率应用，而GaN器件更适合于40-1200V的高频应用，GaN 在 600V/3KW 以下的应用场合更占优势，在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS等领域与传统的MOSFET或IGBT展开竞争，让电源产品更为轻薄、高效。

而GaN的这个定位也更有利于其向消费类市场的渗透，这后面的市场空间就更为可观了。

同时，也有人看好GaN单晶衬底在光电子领域的应用，比如在激光显示方面的应用前景，认为这会与VR/AR等新兴行业形成互动，开辟出新的应用领域。

如果我们将半导体技术的发展看做是一台大戏，与目前绝对的主角Si材料这样的“老戏骨”相比，GaN还是一个初出茅驴的“小鲜肉”，但是TA在自己的“戏码”中，已经逐渐挑起了大梁，扮演着当仁不让的角色，未来GaN的市场“吸粉”能力不容小觑。当前，各个“玩家”围绕GaN的卡位和布局已经展开，好戏还在后头。