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隨著技術(shù)的發(fā)展，終端設(shè)備對(duì)于半導(dǎo)體器件性能、效率、小型化要求的越來(lái)越高。特別是隨著5G的即將到來(lái)，也進(jìn)一步推動(dòng)了以氮化鎵（GaN）第三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展。

　　什么是GaN？

　　GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

GaN器件逐步步入成熟階段

　　氮化鎵技術(shù)可以追溯到1970年代，美國(guó)無(wú)線電公司（RCA）開發(fā)了一種氮化鎵工藝來(lái)制造LED。自上世紀(jì)90年代開始，基于GaN的LED大放異彩，目前已是LED的主流。現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的很多LED就是使用藍(lán)寶石襯底的氮化鎵技術(shù)。

　　除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)體與射頻器件上。基于氮化鎵的功率芯片正在市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。2010年，第一個(gè)GaN功率器件由IR投入市場(chǎng)，2014年以后，600V GaN HEMT已經(jīng)成為GaN器件主流。2014年，行業(yè)首次在8英寸SiC（碳化硅）上生長(zhǎng)GaN器件。

GaN在電力電子領(lǐng)域與微波射頻領(lǐng)域均有優(yōu)勢(shì)

　　①、GaN在電力電子領(lǐng)域：高效率、低損耗與高頻率

　　高轉(zhuǎn)換效率：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場(chǎng)是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比Si器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

　　低導(dǎo)通損耗：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場(chǎng)是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比Si器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

Si功率器件開關(guān)速度慢，能量損耗大

GaN開關(guān)速度快，可大幅度提升效率

高工作頻率：GaN開關(guān)器件寄生電容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲(chǔ)能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設(shè)備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

　?、凇aN在微波射頻領(lǐng)域：高效率、大帶寬與高功率

　　更高功率：GaN上的電子具有高飽和速度（在非常高的電場(chǎng)下的電子速度）。結(jié)合大電荷能力，這意味著GaN器件可以提供更高的電流密度。RF功率輸出是電壓和電流擺動(dòng)的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實(shí)際尺寸的晶體管中產(chǎn)生更高的RF功率。在4GHz以上頻段，可以輸出比GaAs高得多的頻率，特別適合雷達(dá)、衛(wèi)星通信、中繼通信等領(lǐng)域。

　　更高效率：降低功耗，節(jié)省電能，降低散熱成本，降低總運(yùn)行成本。

　　更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實(shí)現(xiàn)多頻率覆蓋，降低客戶產(chǎn)品成本。也適用于擴(kuò)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。

另外值得一提的是，GaN－on－SiC器件具有出色的熱性能，這主要?dú)w功于SiC的高導(dǎo)熱性。實(shí)際上，這意味著GaN－on－SiC器件在耗散相同功率時(shí)不會(huì)像GaAs或Si器件那樣熱。“較冷”設(shè)備意味著更可靠的設(shè)備。

　　4、與第二代半導(dǎo)體材料GaAs相比優(yōu)勢(shì)明顯

　　GaN器件的功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的十倍。GaN器件的更高功率密度使其能夠提供更寬的帶寬，更高的放大器增益和更高的效率，這是由于器件外圍更小。

　　GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件的工作電壓可以比同類GaAs器件高五倍。由于GaN FET器件可以在更高的電壓下工作，因此設(shè)計(jì)人員可以更輕松地在窄帶放大器設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配是以這樣的方式設(shè)計(jì)電負(fù)載的輸入阻抗的實(shí)踐，其最大化從設(shè)備到負(fù)載的功率傳輸。

　　GaN FET器件的電流是GaAs FET器件的兩倍。由于GaN FET器件可提供的電流是GaAs FET器件的兩倍，因此GaN FET器件具有更高的帶寬能力。大部分的半導(dǎo)體器件對(duì)于溫度的變化都是非常敏感的，為了保證可靠性，半導(dǎo)體的溫度變化必須被控制在一定范圍內(nèi)。熱管理對(duì)于RF系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要，因?yàn)樗鼈儽旧砟芰繐p耗就比較高，會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的散熱問(wèn)題。GaN在保持低溫方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，另外即使在溫度較高的情況下，相比于硅其性能影響較小。例如100萬(wàn)小時(shí)失效時(shí)間中位數(shù)MTTF顯示，GaN比GaAs的工作溫度可以高50攝氏度。

GaAs與GaN的可靠性比較

與其他半導(dǎo)體（如Si和GaAs）相比，GaN是一種相對(duì)較新的技術(shù)，但它已成為高射頻，高耗電應(yīng)用的首選技術(shù)，如長(zhǎng)距離或高端功率傳輸信號(hào)所需的應(yīng)用（如雷達(dá)，基站收發(fā)信臺(tái)［BTS］，衛(wèi)星通信，電子戰(zhàn)［EW］等）。

　　5、隨著成本降低，GaN市場(chǎng)空間巨大

　　隨著成本降低，GaN市場(chǎng)空間巨大。GaN與SiC、Si材料各有其優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，但是也有重疊的地方。GaN材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應(yīng)用場(chǎng)景，但是在高壓高功率場(chǎng)景不如SiC；隨著成本的下降，GaN有望在中低功率領(lǐng)域替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以電壓來(lái)分，0～300V是Si材料占據(jù)優(yōu)勢(shì)，600V以上是SiC占據(jù)優(yōu)勢(shì)，300V～600V之間則是GaN材料的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。