氮化鎵器件的案例
憑借快充出圈的氮化鎵(GaN)，為什么這么火？
上文我們提到了氮化鎵器件的可靠性，是什么影響了它的可靠性呢？是材料本身，還是工藝問題？
單就氮化鎵這個材料而言是沒什么問題的，氮化鎵器件的制作門檻也不高，但是它不好做得一致、不好做得可靠。材料是個好材料，可如何將氮化鎵器件做得可靠卻是難點。
為什么這么說呢？讓我們看下氮化鎵器件的結構。
英飛凌 600V CoolGaN器件結構
典型GaN HEMT器件結構示意圖
來源：氮化鎵科技匯
氮化鎵器件的結構是，在硅基襯底上往上長氮化鎵的外沿。
這里要克服一個問題，就是硅是各向同性的材料，硅的失效就是電失效、熱失效，但第三代半導體，包括氮化鎵、碳化硅，它的失效模式跟硅完全不一樣。
因為第三代半導體是一個各向異性的材料，兩種元素化合的。它在開關的過程中會產生所謂的介電效應，因為介電效應會產生機械形變，積累到一定程度就壞了。這是第三代半導體普遍的失效模式。
要長這個外延的目的就是從硅上面慢慢過渡到氮化鎵，所以底下這些是被拿來犧牲的。底下這塊時間久了以后，里面的一些晶體結構是注定要壞的，反正它不承擔導電的任務；但是承擔導電任務的部分，必須要被緩慢的過渡到不被介電效應所影響。
這個工藝說起來簡單，但是掌握起來非常困難。
展開 硅基氮化鎵的投資思考
要做好一個理想的氮化鎵的方案，硅基氮化鎵公司除了要把功率器件做好，驅動控制IC的技術和電源的方案也非常重要。硅基氮化鎵是一家功率公司，前期也是一家電源公司。
氮化鎵方案相比硅基的方案，一是需要解決問題，如氮化鎵器件柵極耐壓、高頻所帶來的可靠性、EMI的問題；二是需要充分挖掘優勢，發揮氮化鎵在傳統的拓撲結構中充分實現效率高、體積小的特性。
因此在整體的方案需要：1.充分理解氮化鎵器件的特性；2.方案層面具有很強的設計優化能力。兩者需要互相充分理解（要很懂），在研發層面互相配合迭代（要能一體化研發），才能搞定一個好的電源方案。通過氮化鎵器件、驅動電路和控制電路的研發充分協同，輸出一個好的方案。
我們看到Pi和Navitas都在內部著力于解決上述的問題，國內硅基氮化鎵公司也在打造自己和電源管理IC公司的研發生態。
國內硅基氮化鎵企業如何實現功率器件和功率IC的研發協同，是否具備較強的電源方案團隊儲備、技術經驗、深度研發合作伙伴，需要重點關注。
另外，目前主流的方案包括Pi、Navitas、英諾賽科三家，三家芯片的集成度依次降低，其中Pi采用了控制器、驅動器和GaN器件合封，Navitas采用了驅動和氮化鎵器件的單die集成，英諾賽科采用的是氮化鎵單管，直接帶來的是三家不同的方案。目前主流的電源廠商的方案集中于上面這三種，因此擁抱主流的方案的阻力相對較小，差異化的方案需要再自建體系。
題外話和結語
目前有一些這樣的觀點：一是氮化鎵賽道不賺錢；二是氮化鎵技術門檻低，國內在建產能多。
展開 使用氮化鎵(GaN)提高電源效率
在滿載時，這款氮化鎵設計的效率將達到約94%。假如用氮化鎵器件取代硅MOSFET，在整個負載范圍內將可實現約3%的效率改進。
圖4：碳化硅與氮化鎵適配器在滿載時的效率比較
效率提高3%相當于損耗減少至少35%。氮化鎵設計的能耗更少，產生的熱量減少35%。這一點非常重要，因為初級功率開關通常是傳統電源中最熱的元件。氮化鎵的散熱需求也會下降。電源體積將會更小，重量更輕，也更便攜，并且由于元件的溫度較低，電源的工作溫度將更低，擁有更長的使用壽命。
如何使用氮化鎵晶體管進行設計
在功率變換器設計中，分立的氮化鎵晶體管不能用作硅器件的直接替代品。氮化鎵晶體管的驅動更具挑戰性，尤其是在驅動電路距晶體管有一定距離的情況下。氮化鎵器件的導通速度非常快，如果沒有精心優化的驅動電路，這可能會導致電磁干擾甚至破壞性振蕩的嚴重問題。氮化鎵器件通常是處于“常開”的狀態，這對于功率開關來說并不理想，因此分立的氮化鎵開關通常與一個共源共柵排列的低壓硅晶體管搭配一起工作。
為了幫助客戶實現可靠耐用的設計并加快產品上市時間，PI推出了InnoSwitch3產品系列。這些高度集成的反激式開關IC已內置用于氮化鎵初級側和次級側同步整流管的控制器。InnoSwitch3 IC具有低空載功耗，并采用名為FluxLink?的高帶寬通信技術，該技術使反饋信息可在安規隔離帶之間傳遞，絕緣性能符合國際安全標準。
InnoSwitch3-PD是InnoSwitch3產品系列的最新成員，具有初級和次級控制器以及氮化鎵初級開關。該器件可提供完整的USB PD和PPS接口功能，無需USB PD + PPS電源通常所需的微控制器。
展開 氮化鎵正在改變世界，中國企業發力強勁
越來越多的人在使用手機快充充電器的時候可能不經意間會發現氮化鎵（GaN）這個專業名詞，實際上，正是“氮化鎵”這一第三代半導體材料的技術突破，讓第三代半導體能實現更多的場景應用，例如氮化鎵電子器件具有高頻、高轉換效率、高擊穿電壓等特性，讓微顯示、手機快充、氮化鎵汽車等有了無限可能。
智慧芽旗下智慧芽創新研究中心最新發布《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術洞察報告》（下稱“報告”），從技術角度全面洞察分析了氮化鎵這一產業的誕生、產業發展和未來突破。
報告顯示，國內產業鏈基本形成，產業結構相對聚焦中游，中國企業紛紛入場。全球在氮化鎵產業已申請16萬多件專利，有效專利6萬多件。其中，保護類型以發明專利為主，行業技術創新度比較高。報告指出，該領域中美日技術實力較強，中美日市場較熱。
在報告展示的氮化鎵技術的日常應用場景中， 豐田與日本名古屋大學合作開發“全氮化鎵汽車”，且目前寶馬也已經加入氮化鎵汽車應用這一陣營 ；與此同時， 氮化鎵快充走進日常生活，華為氮化鎵快充充電器面市 ，擁有大功率、超級快充、輕巧便捷的特點，支持手機、平板、PC電腦等設備充電。
氮化鎵產業初步形成
氮化鎵（GaN）主要是指一種由人工合成的半導體材料，是第三代半導體材料的典型代表, 研制微電子器件、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術及產業鏈已經初步形成，相關器件快速發展。第三代半導體氮化鎵產業范圍 涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導體器件芯片設計、制造、封測以及芯片 等主要應用場景。
氮化鎵應用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設的關鍵核心器件，其 下游應用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領域。
展開 
氮化鎵半導體材料在5G時代的應用前景
氮化鎵，分子式為GaN，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SiC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。
GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導體材料，和第一代的Si以及第二代GaAs相比，其在特性上優勢突出。由于禁帶寬度大、導熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場，使得器件導通電阻減少，有利于提升器件的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。
5G商用到來，射頻氮化鎵技術必不可少
射頻氮化鎵技術是5G的絕配，基站功放使用氮化鎵。隨著全球移動數據流量的不斷增長，各移動運營商正在竭盡全力滿足爆炸式增長的流量需求。通過載波聚合可以緩解移動互聯網對于數據帶寬的需求，載波聚合和大規模多入多出技術促使基站去采用性能更好的功放。基站中以前采用的射頻功放主要基于LDMOS技術，但LDMOS技術的極限頻率不超過3.5GHz，也不能滿足視頻應用所需的300MHz以上帶寬。
因為上述原因，基站開始采用射頻氮化鎵器件來替代LDMOS器件。LDMOS器件物理上已經遇到極限，這就是氮化鎵器件進入市場的原因。基站應用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。
GaN可以實現更高的功率密度，對于既定功率水平，GaN具有體積小的優勢。有了更小的器件，就可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統的設計變得更加輕松。氮化鎵作為一種寬禁帶半導體，可承受更高的工作電壓，意味著其功率密度及可工作溫度更高，因而具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點。
展開 10億氮化鎵快充項目即將開工
據“三代半風向”了解，部分氮化鎵企業近年來營收不斷上漲，比如Transphorm今年一季度營收環比增長20%，比去年同期增長118%。
國內方面，英諾賽科的氮化鎵出貨量已經超過千萬顆級別，前段時間，英諾賽科蘇州8英寸氮化鎵項目也正式量產，另一家氮化鎵企業也在擴線。據江蘇能華總經理朱廷剛博士透露，他們的二廠預計年底可以進入到預產狀態，未來產能將增加10倍。
相比碳化硅，氮化鎵技術難度較低，因此眾多企業可借助專業的晶圓代工廠，進入氮化鎵快充領域。隨著快充產品日益青睞國產氮化鎵（比如立訊采用元拓氮化鎵、瑞亨電子采用英諾賽科），最近，國產氮化鎵產品也越來越多：
1
青島聚能創芯推出650V系列氮化鎵功率器件產品
2
南芯推出高集成度GaN解決方案 SC3050/SC3056
3
鎵未來推出小尺寸貼片cascode氮化鎵器件G1N65R480PA、G1N65R240PB和 G1N65R150PB
4
南京芯干線推出650V氮化鎵功率器件（X-GaN）、650V 碳化硅二極管（X-SiC）。
5
深圳鎵華微電子推出共源共柵級聯結構的650V/900V/1200V硅基GaN器件
安克CEO估算，全球充電器市場每年是40億左右的產量，其中GaN氮化鎵只占1%，因此氮化鎵未來的市場需求很大。
而氮化鎵遠不止快充一個應用領域，英飛凌電源與傳感系統事業部市場總監程文濤最近表示，氮化鎵應用在手機快充市場，可以幫助率先驗證材料可靠性。未來，技術更成熟后，將在工業等領域看到更多氮化鎵應用。
展開 智芯研報 | 氮化鎵（GaN）射頻器件市場：2026年預計達到24億美元以上
Yole在報告《2021氮化鎵射頻市場：應用、主要廠商、技術和襯底》中預測，氮化鎵（GaN）射頻器件市場正以18%的復合年增長率（CAGR）增長，從2020年的8.91億美元到2026年的24億美元以上。
該市場將由國防和5G電信基礎設施應用主導，到2026年分別占整個市場的49%和41%。特別是，基于氮化鎵的宏/微蜂窩領域將在2026年占氮化鎵電信基礎設施市場的95%以上。
相對于第一代（硅基）半導體，第三代半導體禁帶寬度大，電導率高、熱導率高，其具有臨界擊穿電場高、電子遷移率高、頻率特性好等特點。
氮化鎵(GalliumNitride；GaN)是最具代表性的第三代半導體材料，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一，是迄今為止理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系。
氮化鎵優異特性：
目前GaN器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達等領域；在民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。
未來五年，基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數據中心等場景。
射頻氮化鎵技術
是5G的絕配
氮化鎵的帶隙為3.4eV，而現今最常用的半導體材料硅的帶隙為1.12eV，因此氮化鎵在高功率和高速元件中具有比硅元件更好的性能。
氮化鎵向來以較高的功率處理能力而著稱，是基地臺、雷達和航空電子等無線通訊設備的首選放大器，在4G通訊系統中也已經使用多年。
展開 英諾賽科8寸氮化鎵線量產，還宣布2件大事
據透露，英諾賽科的低壓氮化鎵產品已取代美國某公司產品，成為中國領先的激光雷達企業禾賽科技的供應商，。同時，英諾賽科已成功開發出應用于數據中心的低壓氮化鎵電源管理芯片產品，可取代原有硅器件，大幅度提升系統效率，降低能耗及運營成本。
行業人士預測，隨著技術和市場化應用逐漸成熟，氮化鎵器件大規模上量后，成本將不是問題，預計2022年氮化鎵芯片將與硅器件價格持平，到了2023年甚至成本還更具優勢，未來65%硅功率器件應用場景都可以采用氮化鎵。
第三代半導體白皮書可以預定了！！快點擊左下角“閱讀原文”
相關閱讀：
參編單位集結號！2021第三代半導體白皮書調研啟動
3.3MV/cm，刷新世界紀錄！超低成本GaN基器件面世
國內又有全碳化硅地鐵！！未來5年成主流？
募資20億！這家碳化硅企業將要上市
展開 光伏也用氮化鎵！英飛凌搶先進入
MicroGaN GmbH
致力開發GaN-on-Si電子元件
據行家說三代半風向了解，
德國
還有一個團隊也在研發氮化鎵光伏逆變器。
早在2012年，德國烏爾姆大學衍生公司
MicroGaN GmbH
團隊就與
博世
、
英飛凌
的開發部門合作，共同研究開發
GaN-on-Si
電子元件，目標是將其將應用于電信、消費電子、汽車以及
光伏領域
的電源系統。
該團隊表示，這些“快速、小型、高功率密度開關”的氮化鎵器件可用于太陽能逆變器，以降低設備成本并
提高太陽能發電量
。
在2010年，MicroGaN GmbH就與
Diotec Semiconductor AG
達成合作，共同開發設計
600V
的氮化鎵整流器器件，這種器件非常適合高頻開關電路，例如功率因數校正 (PFC) 和逆變器電路。它們
提高了PFC效率
，尤其是在部分負載條件下，驅動器和太陽能逆變器的功率損耗可以顯著
降低
。
展開 氮化鎵繼消費領域之后再瞄準汽車市場
氮化鎵的“上車”機會
近年來，氮化鎵器件通過性能優化、產能提升、成本控制，逐漸應用于消費領域，快充尤其成為氮化鎵在消費市場的引爆點。相比傳統硅器件，氮化鎵快充能夠顯著提升充電速度，并降低系統待機狀態的電量消耗。
除了手機充電器，平面電視、游戲機、平板等追求輕量化的緊湊型終端，也為氮化鎵器件提供了每年20億美元的銷售規模。
隨著汽車電動化、5G通信、物聯網市場的不斷增長，基于氮化鎵的產品應用正逐步拓展，將推動2021年及未來功率半導體的需求增長。
在電動化對功率
器件要求越來越高的背景下，未來在汽車產業上，將有更多的第三代半導體器件出現。
目前，在特斯拉的的領頭效應下，全球范圍內已有不少車企和tier1企業布局基于SiC的車用第三代半導體功率器件。
汽車電子被預測是氮化鎵的下一個藍海市場 —— 在嘗到消費領域快充的甜頭后，在電動車快速成長，以及提高充電效率需求的帶動下，GaN功率器件廠商也開始積極開發汽車領域。利用氮化鎵可以將汽車的車載充電器（OBC）、DC-DC轉換器做得更小更輕，從而有空間放入更多的鋰電池，提升整車續航里程。
如果GaN能以較低的價格進入，且能夠證明其可靠性和高電流能力，未來將可以打入更具挑戰性的驅動系統，這一趨勢可能為其創造出更顯著的價值。
展開 氮化鎵為何是未來行業的重點
從 3G 到 5G 的演進過程當中，信號的調制方式都在不斷演進，這就讓氮化鎵逐漸成為了行業關注的重點。
氮化鎵帶來的優勢，例如：使得氮化鎵的成本有了大幅度的下降，可靠性和高效率也有所提升，這是以前的 LDMOS 或砷化鎵等工藝器件所不具備的。
先看 PA 方面，氮化鎵能帶來的提升包括三個方面，具體來看一下吧。
一．能支持更高信號帶寬
這是由氮化鎵的低寄生容性和高阻等特性決定的；
二．具備更高的效率
這是由其低射頻損耗帶來的；
三．可以輸出更高的功率。
在高頻段、寬帶寬的應用下，想要在提高功率的同時保持更好的線性，對器件要求相當大，而氮化鎵的特性，讓它們能輕易應對這種挑戰。
和傳統的砷化鎵器件相比較，在同樣條件下，氮化鎵的壽命和使用時間都比砷化鎵高很多。
在器件節溫來看，氮化鎵器件的表現比砷化鎵器件高很多。
從 5G 基站的需求看來，他們要求器件能支持更多的頻段，同時還能做到小型化，這在毫米波時代需要 128T 甚至 256T 的天線陣列的前提下，更是必須的；此外，硬件成本也是限制 5G 基站發展的一個重要因素；最后，功耗也是運營商需要考量的一個關鍵。
從天線角度看，如圖所示，天線陣列應該采用鍺化硅工藝制造。但采用這種工藝設計的天線，輸出功率大不了。因為一旦功率過高，器件的效率就達不到。這就意味著在同樣的 EIRP 的情況下，所需的天線路數更多。來到砷化鎵方面，功率則可以做到相對高一點。
展開 
熱度不減的氮化鎵
來源：半導體行業觀察
隨著基于硅的技術發展逐漸接近極限，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等為代表的第三代半導體迎來了爆發風口。其中，SiC和GaN作為目前最為成熟，商業化程度最高的第三代半導體材料自然風頭正盛。此前，我們曾在《“拯救”SiC的幾大新技術》一文中詳細介紹了SiC材料，這次我們來詳解下GaN。
氮化鎵主要是由人工合成的一種半導體材料，禁帶寬度大于2.3eV，也稱為寬禁帶半導體材料，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料。相比“得碳化硅者得天下”，氮化鎵就顯得低調許多，1969年日本科學家Maruska等人才在藍寶石襯底表面沉積出了氮化鎵薄膜，本世紀初氮化鎵進入了飛速發展階段。2019年，氮化鎵作為第三代半導體的主要材料之一首次進入主流消費應用，并在2020年因小米氮化鎵充電器而引發關注。
低調卻“吸金”
雖然沒有碳化硅那么火爆，但氮化鎵的吸金程度也毫不遜色。據筆者不完全統計，除了國外的ST、英飛凌和PI等企業一馬當先以外，國內的英諾賽科和納微也發展迅猛，到這也擋不住氮化鎵的發展浪潮。
據不完全統計，2021年國內超9家氮化鎵相關企業獲得了超12輪的融資，其中禹創半導體、鎵未來、能華微電子等3家企業都完成了2輪融資，從透露的投資額來看，芯元基完成了逾億元B輪；南芯半導體完成了近3億元D輪融資；能華微電子則是完成了數億元C輪。此外，2021年封測巨頭晶方科技入局氮化鎵，投資了以色列VisIC Technologies Ltd．，環旭電子也宣布投資氮化鎵系統有限公司，加碼功率電子戰略。
展開 半導體材料：GaN（氮化鎵）的詳細介紹
三代半導體即寬禁帶半導體，以碳化硅和氮化鎵為代表，具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，切合節能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰略需求，是支撐新一代移動通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯網等產業自主創新發展和轉型升級的重點核心材料和電子元器件，已成為全球半導體技術和產業競爭焦點。
氮化鎵是一種寬能隙材料，它能夠提供與碳化硅（SiC）相似的性能優勢，但降低成本的可能性卻更大。業界認為，在未來數年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價格。
氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關頻率、更低的導通電阻等優勢，并可與成本極低、技術成熟度極高的硅基半導體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉換與管理系統、電動機車、工業電機等領域具有巨大的發展潛力。
由于對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長，使得半導體業重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷涌現，硅材料已難以維持摩爾定律。由于氮化鎵材料所具有的獨特優勢，如噪聲系數優良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種應用提供了獨特的選擇，如軍事、宇航和國防、汽車領域，以及工業、太陽能、發電和風力等高功率領域。
推薦一款來自臺灣美祿的GaN/氮化鎵 - MGZ31N65，該芯片常溫常壓下是纖鋅礦結構。是現今半導體照明中藍光發光二極管的核心材料。工業上采用MOCVD和HVPE設備來外延生長。
GaN半導體材料有二種基本結構:纖鋅礦(Wurtzite, WZ)和閃鋅礦(Zinc blende, ZB)。常溫常壓下惟有纖鋅礦結構為穩定相。纖鋅礦結構由兩套六角密堆積子格子沿c軸方向平移3c/8套構而形成，所屬空間群為或P63mc。
展開 氮化鎵“上車”，能行嗎？
針對高功率密度、強續航能力等需求，目前的硅功率半導體材料器件已經發展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關速度比硅MOSFET快很多，在高效率和高功率密度方面更能符合電動汽車的需求。” 李東岳表示。
車用氮化鎵存在四大挑戰
盡管GaN功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等方面較硅功率器件均有數量級的提升，但也面臨著許多瓶頸。
智芯研報 | 化合物半導體之氮化鎵&碳化硅
我們認為 GaAs 襯底和器件技術不斷成熟和標準化，產品多樣 化、器件設計的價值顯著，設計+制造的分工模式開始增加。
從 Yole Development 等第三方研究機構估算來看， 2017 年全球用于 PA 的GaAs 器 件市場規模達到 80-90 億美元，大部分的市場份額集中于 Skyworks、Qorvo、Avago三 大巨頭。預計隨著通信升級未來兩年有望正式超過 100 億美元。
同時應用市場決定無需 60 nm 線寬以下先進制程工藝，不追求最先進制程工藝是另外一個特點。化合物半導體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領域，無需先進工藝。GaAs 和 GaN 器件以 0.13、0.18μm以上工藝為主。
Qorvo 正在進行 90nm 工藝研發。此外由于受 GaAs 和 SiC 襯底尺寸限制，目前生產線基本全為 4 英寸和 6 英寸。以 Qorvo 為例，我們統計下來氮化鎵制程基本線寬在 0.25-0.50um，生產線以 4 英寸為主。
氮化鎵&碳化硅：高壓高頻優勢顯著
氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)并稱為第三代半導體材料的雙雄，由于性能不同，二者的應用領域也不相同。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導 率高、化學性質穩定和抗輻射能力強等優點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選 材料之一。
氮化鎵：5G 時代來臨，射頻應用前景廣闊
目前氮化鎵器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域；在 民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。氮化鎵基站 PA 的功放效 率較其他材料更高，因而能節省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功 率密度大，能夠減少基站體積和質量。
特色工藝代工廠崛起，分工大勢所趨。
展開 