隨著消費電子產品、電動車、家用電器等產品更新換代，產品的性能也越來越受重視，尤其是在功率設計方面。如何提升電源轉換能效，提高功率密度水平，延長電池續航時間，成為了新一代電子產品面臨的最大挑戰。
在這樣的背景下，一種新型的功率半導體——氮化鎵（GaN）的出現，或許會成為未來電子產業的“香餑餑”。
蟄伏20年的GaN，卻被雷布斯“一不小心”帶火
上個月剛結束的小米10發佈會上，和小米10一同火起來的，還有小米創始人雷軍著重介紹額65W小米GaN充電器。雷軍誇其為“實在太方便了！”新品火起來的同時，還引起投資人對於第三代半導體的廣泛關注。
瞭解GaN之前，首先我們要弄清楚關於半導體材料的一些知識。半導體材料發展到現在已經進入了第三代。
第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）等元素的材料，常用在信息技術中的分立器件和集成電路中，電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程等產業中都得到了極為廣泛的應用。
第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge－Si、GaAs－GaP；玻璃半導體（又稱非晶態半導體），如非晶硅、玻璃態氧化物半導體；以及有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。主要用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。
第三代半導體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導體材料。在應用方面，根據第三代半導體的發展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域。在本文中重點介紹的GaN，並不存在於自然界，只能在實驗室中製成。
在1998年，美國研製出GaN晶體管，資料顯示，GaN在室溫下帶隙為3．49eV（電子伏特）。一般來說，帶隙就是指禁帶寬度，是半導體材料的一個重要特徵參量，其大小主要決定於半導體的能帶結構。
若禁帶寬度Eg＜ 2．3eV，則稱為窄禁帶半導體，如Ge、Si、GaAs以及InP；若禁帶寬度Eg＞2．3eV則稱為寬禁帶半導體，如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。
由於寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強以及良好的化學穩定性等特點，非常適合於製作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。
以GaN為例，熔點高達1700℃。有人曾做過實驗，在一般高溫情況下，GaN不會發生分解反應，只有將其放置於氮氣或氦氣中且溫度超過1000℃時GaN才會慢慢揮發，證明GaN可以在較高的溫度下保持其穩定性。這也是為什麼GaN能被廣泛運用在大功率半導體中的原因。
GaN產業鏈及應用前景
與SiC產業鏈類似，GaN產業鏈可依次分為GaN襯底→GaN外延→器件設計→器件製造。從國內外GaN產業發展來看，美國、日本成為GaN產業發展的佼佼者，中國企業入局者則為數不多。
（資料源自中泰證券研究所）
快充產品領域：GaN材料應用範圍廣泛，最為人熟知的就是在快充產品領域。最初快充出現的時候還並不被大夥所看好，總感覺這麼短時間內充滿一塊電池，擔心電池爆炸。
隨著快充逐漸升級為超級快充，充電時間越來越短，對於電池安全的隱憂雖然沒有徹底放下，但人們對此也越來越能接受。
（資料源自OFweek、東吳證券研究所）
新型的GaN快充與傳統快充相比，由於GaN的材料特性能提供更高的能量轉化效率，降低了功耗，減小了充電時的發熱問題；GaN充電器擁有更大的功率密度，能夠實現更快的充電速度；此外，GaN充電器功率器件的開關頻率顯著高於傳統快充中的Si功率器件，因此可以實現體積更小的充電器產品設計。
5G射頻領域：隨著5G技術的爆發，相關產業對射頻功率、功耗的要求進一步提升，GaN將逐漸取代Si材料。在相控陣雷達、電子對抗戰、精確制導等軍事化場景中，GaN的運用也越來越廣泛。
市場研究和戰略諮詢公司Yole曾經表示，2018年GaN射頻器件市場規模達到4．57億美元，未來5年複合增長率超過23％。在整個射頻應用市場，GaN器件的市場份額將逐漸提高。長期來看，在宏基站和回傳領域，憑藉高頻高功率的性能優勢，GaN將逐漸取代LDMOS和GaAs從而佔據主導位。
電動汽車、光伏等功率半導體領域：目前電動汽車、光伏、智能電網等領域使用的IGBT是硅基材料，如果未來氮化鎵技術取得突破，從而滲透進IGBT半導體領域，那麼將進一步打開氮化鎵市場的天花板。
照明領域：半導體照明是目前國內外非常受人矚目的一種新型的高效、節能和環保光源，它將取代大部分傳統光源，又被稱為21世紀的能源革命．GaN能和NIn、NAl相互摻雜改變III族元素的比例，從而能使其發光波長覆蓋從紅光到紫外光的範圍，由此達到更高效率、高亮度的光源方面的應用。
還存在哪些缺點？
雖然GaN相比於Si等材料更節能、更快，具備更好的恢復特性，但是仍然談不上徹底取代。由於若干原因，GaN並不常用於晶體管中，因為GaN器件通常是耗盡型器件，當柵極 － 源極電壓為零時它們會產生導通，這是一個問題。
其次，GaN器件極性太大，難以通過高摻雜來獲得較好的金屬－半導體的歐姆接觸，這是GaN器件製造中的一個難題，現在最好的解決辦法就是採用異質結，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然後再採用高摻雜來實現歐姆接觸，但這種工藝很複雜。
小結
歐美等國家正在持續加大第三代半導體領域研發支持力度，以GaN、SiC為首的第三代半導體材料被廣泛應用，是半導體以及下游電力電子、通訊等行業新一輪變革的突破口。
近年來，國內第三代半導體產業穩步發展，但在材料指標、器件性能等方面與國外先進水平仍存在一定差距，第三代半導體產業本土化、高端化的需求依然緊迫。
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