氮化鎵
關注創建者：yiyun5611 創建時間：2018-12-07
氮化鎵的實例教程
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 來源：水深三米
作者：滿川愛潛水
國內氮化鎵賽道的投資價值
一、氮化鎵賽道的投資價值
第三代半導體的材料特性帶來其對硅基功率器件部分市場的逐步替代，這一點不斷通過市場應用的驗證，已基本成為共識。
相比碳化硅，目前硅基氮化鎵的主要劣勢包括耐壓等級低和缺乏可靠性的驗證數據。另外，由于硅基氮化鎵整體產值低，尚未形成規模效應，導致成本相比碳化硅并沒有形成優勢。
但目前硅基氮化鎵廠商正在通過外延、器件結構、驅動控制電路推動產品向高耐壓（目前已有1200v的產品）和高可靠性（目前已有高壓器件的理想可靠性數據）不斷演進，且氮化鎵器件的售價已經逼近硅MOS，產品性能、品質、成本不斷逼近甜蜜點。
另外，相比碳化硅，硅基氮化鎵材料本身可以提供更高的電源效率和更低的成本，在600V至1200V區間，硅基氮化鎵會成為非常具備競爭優勢的技術方向。
另外，隨著碳化硅在汽車、光伏市場的不斷應用，國內外動不動幾十億甚至上百億產值的投資，直觀感受感覺碳化硅的市場規模很大，而用于小小充電頭的氮化鎵感覺市場規模要小很多。根據Yole發布的數據，2025年碳化硅的市場規模為25億美金，2026年氮化鎵市場規模預測數據為10億美金，乍一看確實碳化硅的整體產值確實是氮化鎵的好幾倍。
但碳化硅和硅基氮化鎵對于國內大部分企業的機會產值實際相當：
一是考慮襯底的產值。成本結構不同，沒有襯底環節的碳化硅企業機會產值大打折扣。碳化硅襯底的成本約50%，外延片的成本約20%，器件制造封測的成本是30%。
展開 與硅相比，氮化鎵具有非常低的特定RDS(ON)，因此開關更小，并且COSS也更低。這意味著更小的氮化鎵器件可以處理與更大的硅器件相同的功率水平。
圖3：相較于硅MOSFET，氮化鎵器件的總損耗更低
較低的RDS(ON)和較小的COSS損耗相結合，可以使用氮化鎵設計出更高效率的電源，從而減少散熱。所需耗散熱量的降低也有助于縮小電源尺寸。頻率是設計者可以用來減小尺寸和優化使用氮化鎵的電源性能的另一個手段。由于氮化鎵本質上比硅更高效，因此有可能提高基于氮化鎵的電源的開關頻率。雖然這會增加損耗，但它們仍會顯著低于硅MOSFET的損耗，并減小變壓器的尺寸。
變壓器結構的實際限制和電路中的寄生元件限制了開關頻率可以有效地提高到何種程度。在實際設計中，對于額定功率為≤100W的基于氮化鎵的反激式適配器來說，能夠提供效率、尺寸和低成本的最佳組合的開關頻率可以低于100kHz。對于氮化鎵而言，限制因素不是開關速度。隨著COSS的大幅減小，設計者有了更大的靈活性，可以針對損耗優化開關頻率，達成一個卓越的解決方案。
利用氮化鎵提高電源效率
電源效率的提高究竟是如何實現的呢？舉例來說，對于一個使用硅MOSFET的65W反激式適配器，其效率曲線在10%負載下處于約85%的范圍內，在滿載時將達到90%以上（見圖4）。而一個使用Power Integrations (PI)公司基于氮化鎵的InnoSwitch?器件的65W反激式適配器，其效率在10%負載下將約為88%。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。
展開 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 圖5：兩種結構的氮化鎵晶體管
級聯結構的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個低壓的硅MOSFET級聯在一起，該結構的好處是其驅動與傳統硅MOSFET的驅動完全相同
（因為驅動的就是一個硅MOSFET）
，但是該結構也有很大的缺點，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向導通電流時又存在體二極管的反向恢復問題。其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開通和關斷過程中漏極對源極出現的振蕩就是氮化鎵源極對門極的振蕩，由于此振蕩時不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開通和關斷的可能。最后由于是兩個功率器件級聯在一起，限制了整個氮化鎵器件的導通電阻的進一步減小的可能性。
由于級聯結構存在以上問題，在功率半導體界氮化鎵晶體管的主流技術是增強型氮化鎵晶體管。以英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管CoolGaN為例，其詳細結構如圖6所示。
圖6：CoolGaN結構示意圖
如圖6所示，目前業界的氮化鎵晶體管產品是平面結構，即源極，門極和漏極在同一平面內，這與與超級結技術
(Super Junction)
為代表的硅MOSFET的垂直結構不同。門極下面的P-GaN結構形成了前面所述的增強型氮化鎵晶體管。漏極旁邊的另一個p-GaN結構是為了解決氮化鎵晶體管中常出現的電流坍陷
(Current collapse)
問題。
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氮化鎵的最新內容
Silvaco刀具上氮化鎵納米線的設計和模擬RF分析
15.1.單柵SOI隧道場效應晶體管（ TFET ）的分析建模
15.2.隧道場效應管表面電位建模
16.用于氣體傳感的雙柵無結垂直TFET的設計與分析
17. Silvaco Tcad INGAN太陽能電池器件的設計與分析
18.雙源垂直隧道場效應管的設計與分析
19.
IGBT以及碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體器件已成為全球技術競爭的焦點，國內產業鏈上下游正加速協同攻關，生態效應逐步顯現。
連接器與傳感器領域，隨著物聯網全面普及和汽車電子化程度不斷提升，市場規模持續增長。汽車連接器、高速通信連接器以及各類生物、環境傳感器成為行業增長亮點，國內企業在多個應用場景中實現技術突破，并持續向更高附加值環節拓展。
PA66、PC、PP、PPA、LDPE、PEEK）、導熱絕緣塑料，導熱橡膠等
碳材料：石墨膜（PI膜）、碳納米管、碳纖維短纖、石墨烯導熱膜、金剛石材料等
相變材料（儲熱）：石蠟、脂肪醇、脂肪酸、烷烴基合金；熔鹽、鹽水合物、共晶混合物等
隔熱材料：氣凝膠材料（碳基、二氧化硅、二氧化鋯、氧化鋁等）、碳氈、復合硅酸鹽材料等
導熱散熱組件：
熱管/均熱板，覆銅板，功率器件（碳化硅、氮化鎵
汽車電子芯片、安全控制芯片、數模混合通訊射頻芯片、存儲芯片、LED照明及顯示驅動類芯片等;
晶圓制造及封裝：
晶圓制造、SiP先進封裝、OSATs、EMS、OEMs、IDM、硅晶圓及IC封裝載板、印制電路板、封裝基板和設備及組裝和測試等、封裝設計、測試、設備與應用制造與封測、EDA、MCU、印制電路板、封裝基板半導體材料與設備等；
第三代半導體：
第三代半導體碳化硅SiC、氮化鎵
【市場分析與機遇】
1.新能源汽車與5G通信的推動：在新能源汽車、5G通信、太空探索等領域的快速驅動下，第三代半導體材料如碳化硅和氮化鎵的需求大增，為半導體行業帶來新的增長點。
2.產業生態構建：OVC 2025 武漢半導體與電子技術展已成為半導體及電子技術產業協同發展的重要平臺，加速技術創新與產業升級。
近年來，隨著新能源汽車、5G通信、太空探索等領域的快速發展，第三代半導體材料如碳化硅和氮化鎵的需求大增，半導體行業發展前景廣闊，加之豐富的人口紅利、穩定的經濟增長及有利的產業政策環境等眾多優勢條件，中國半導體產業實現了快速發展。
【展會優勢】
武漢作為中國重要的工業基地和科技創新中心，擁有得天獨厚的產業優勢和人才資源。
季總詳細介紹了君萬微電子的發展歷程和成就，特別是其在碳化氮化鎵LED微型顯示器芯片上的突破。演講涵蓋了顯示與微型顯示器的技術區別，介紹了無機LED在亮度和抗殘影方面的優勢。此外季總還探討了微型顯示器在近眼顯示和投影系統中的應用潛力，展示了Micro LED在工業、軍事等領域的廣泛前景。最后，季總指出，Micro LED技術雖然處于起步階段，但未來幾年將迎來快速發展，為新興產業帶來巨大商機。
該系統可用于測量不同大小、不同材料、不同厚度晶圓的幾何參數;晶圓材質如碳化硅、藍寶石、氮化鎵、硅、玻璃片等。
圖 2.砷化鎵中鎵和砷的 4p 帶
圖 3.氮化鎵中 Ga 的 4p 能帶和 N 的 2p 能帶
圖 4.碳化硅中 Si 和 C 的 PDOS
圖 5.硅：間接轉變類型 實驗值 1.12eV
圖 6.砷化鎵：直接轉變類型 實驗值 1.42 eV
圖 7.氮化鎵：直接轉變類型 實驗值 3.39 eV
此后，隨著新材料如砷化鎵和氮化鎵以及新器件的涌現，半導體產業始終遵循著摩爾定律持續高速發展，器件工藝尺寸不斷縮小，性能不斷提高。
然而，隨著半導體工藝的進一步發展，將半導體應用在照明方面的研究取得了很大的成果，而半導體產品具有功耗低、使用壽命長和響應時間短等眾多優勢和發展潛力，已呈現逐漸取代傳統照明產品的趨勢。
