氮化镓（GaN）是一种具有较大禁带宽度的半导体，属于宽禁带半导体之列。

氮化镓是微波功率晶体管的优良材料，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照、抗高温、抗高压能力。

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

GaN的潜力超过SiC

如果我们使用 Barriga 指数来比较 MOSFET 和结型 FET (JFET) 等单极功率器件的整体适用性，会发现，当SiC在晶体多晶型为 4H 时，指数为500；而 GaN 则高得多，为930。

Variga 品质因数是由电子迁移率 (μe)、介电常数 (ε) 和介电击穿强度 (Ec) 等物理特性决定的值，GaN 即使在耐压 1200V 的应用中也优于 SiC。这表明它作为功率器件材料具有很高的潜力。如果能够挖掘这一潜力，很有可能通过高频工作使应用设备变得更小、更轻，进一步提高电源效率，提高应用设备的产量。

此外，在使用SiC基功率器件时，一直有人担心可靠性问题，并希望应用GaN作为根本解决方案。SiC晶体有200多种类型，每种都有不同的堆叠结构和构成四面体晶体结构的四个最近的原子的排列，具体而言，主要包括“3C”、“4H”、“6”、“15R”这集中结构。

每种材料都有不同的物理特性，而4H具有高迁移率，专门用于许多功率器件。人们担心的是，当器件在反复加热和冷却的环境中使用时，可能会发生相变，导致器件质量发生变化，从而发生故障和失效。

当然，在使用SiC器件时，我们会通过改进器件结构、质量控制、驱动电路、运行条件、系统配置等措施来解决多态性问题。但可以肯定的是，如果能从材料本身消除引起问题的根本因素，就可以实现对问题的根治。

对于GaN，则有其六方纤锌矿结构和立方闪锌矿两种不同的结构。其中，前者是一种稳定相，用于器件制造；后者也是已知的，但它不是稳定相。这就是为什么在需要高可靠性的应用中希望使用 GaN 代替 SiC。

尽管有这样的背景，但 GaN 器件目前尚未用于处理大量功率的应用（例如电动汽车的牵引逆变器）是有原因的。为了应对高功率，需要将输入端子和控制端子放置在类似于硅基MOSFET和IGBT（绝缘栅双极晶体管）的半导体基板的正面，并将输出端子放置在背，创建一个允许大电流流过的垂直装置。

此时，实现垂直GaN器件需要完全由GaN制成的自支撑衬底，但采用传统的衬底制造技术，会出现许多穿透衬底并阻碍器件工作的位错，不幸的是，GaN衬底质量还没有达到可以满足要求的水平。

此外，为了实现可量产的垂直GaN器件，不仅需要提高衬底质量，还需要增大直径，这会使器件制造成本降低。目前，4 英寸衬底样品可以采用被称为“氨热法”的液相晶体生长技术来制成 ，该技术允许高品质 GaN 晶体的高通量生长。

然而，由于晶体生长的特性，使用氨热法增加基板的直径将被限制在约4英寸。需要新的技术突破来制造直径更大的高质量独立式 GaN 衬底。


GaN为什么那么贵？

虽然，在理论上，同质外延可以发挥芯片的最佳电性能，对于如氮化镓这种极为昂贵的衬底材料而言更是如此。虽然异质氮化镓外延片存在晶格失配、热失配，但是其好处也是显而易见的，那就是可大幅降低氮化镓半导体的应用成本。

GaN材料的贵，贵就贵在太难了！常压下GaN无法熔化，高温下直接分解为Ga和N2；在6GPa的高压下，其熔点也高达2300℃，导致GaN单晶的制备非常之困难。

举个简单的例子，2英寸GaN衬底价格约2000美元，作为对比6英寸SiC衬底价格约900美元，12英寸硅衬底价格约100美元。

所以为了降低成本、凑活性能，供应商一致的选择在其他衬底上进行GaN异质外延生长。


氮化嫁衬底外延工艺

氮化镓最早是在1928年人工合成出来的材料。但它的单晶生长很难，目前氮化镓衬底晶圆仍然偏贵。商业场景（LED/射频RF/功率器件）中使用的多是异质外延片。

氮化镓器件所选用的衬底主要有Si、SiC、GaN、蓝宝石等，在此基础上进行氮化镓的同质外延或异质外延。

硅（或碳化硅）衬底上生长硅（或碳化硅）外延层，衬底和外延相同材质称为同质外延；在硅（或蓝宝石，碳化硅）衬底上生长氮化家外延层称为异质外延。


1、氮化镓基氮化镓（GaN-on-GaN）

GaN单晶衬底是外延GaN最理想的衬底，缺陷密度低，外延材料质量好。但GaN单晶生长设备要求高，控制工艺复杂，位错缺陷密度较高，良率较低，且相关技术发展较慢，GaN衬底片成本较高，应用受到限制。主流GaN衬底产品以2英寸为主，4英寸也已经实现商用。


2、硅基氮化镓（GaN-on-Si）

Si衬底成本低，GaN-on-Si生长速度较快，较容易扩展到8英寸晶圆；GaN-on-Si是硅基工艺，与CMOS工艺兼容性好，使GaN器件与CMOS工艺器件能很好地集成在一个芯片上，可以利用现有硅晶圆代工厂进行规模量产。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件。


3、碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）

GaN-on-SiC结合了SiC优异的导热性和GaN高功率密度、低损耗能力，衬底上的器件可在高电压和高漏极电流下运行，结温将随RF功率缓慢升高，RF性能更好，目前多数GaN射频器件的衬底都是SiC。受限于SiC衬底，目前尺寸仍然限制在4寸与6寸，8寸还没有推广。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。

4、蓝宝石基氮化镓（GaN-on-sapphire）

蓝宝石衬底通常采用MOCVD法外延生长GaN，主流尺寸为4英寸，主要应用在LED市场。

在GaN器件中，衬底的选择对于器件性能起关键作用，衬底也占据了大部分成本，因而衬底是氮化镓器件降低成本的突破口。目前市场上GaN晶体管主流的衬底材料为Si、SiC和蓝宝石，GaN衬底由于工艺、成本问题尚未得到大规模商用。


氮化嫁下游应用

GaN下游应用广泛，主要有光电子领域、射频电子领域和电力电子领域。


1、GaN在射频电子领域的应用

GaN射频器件主要应用于军用雷达、卫星通讯、5G基站等方面。

根据 Yole 统计数据，2018 年 GaN 整体市场规模为 6.45 亿美元，其中无线通讯应用规模为 3.04 亿美元，军事应用规模为 2.7 亿美元，未来在电信基础设施以及国防两大应用的推动下，预计到 2024 年，GaN市场规模将增长至 20.01 亿美元，年复合增长率为 21%，其中无线通讯应用规模将达到 7.52 亿美元，同比增长147.43%，射频相关应用规模从200万美元大幅增长至1.04 亿元，增长近50倍。


5G基站助推GaN功率半导体业务增长

5G基站中主要使用的是氮化镓功率放大器和微波射频器件。GaN材料在耐高温、耐高压及承受大电流方面具备优势，与传统通信芯片相比具备更优秀的功率效率、功率密度和宽频信号处理能力，应用在5G基站中更加合适。

5G 射频系统由于要使用到高频载波聚合以及高频带等多种新技术，整体系 统复杂度大幅提高，因此使用 GaN 等新技术将大幅缩减系统功耗，图8中左侧 为锗化硅基 MIMO 天线，其由 1024 个元件构成，裸片面积为 4096 平方毫米，辐射功率为 65dBm，如果采用 GaN 材料来制作，整体元件数量将减少至 192 个， 裸片面积仅为 250 平方毫米，仍能保持辐射功率不变，虽然价格有一定程度的提高，但是功耗降低了 40%，成本可以降低 80%。


2、GaN在光电子领域的应用

GaN光电器件产品主要包括Mini-LED和Micro-LED。与传统LED相比，芯片量级更小，高清显示性能更好，可以应用于超大屏高清智能电视、消费电子显示屏，以及手机、电脑等消费电子背光应用，VR/AR等多个领域。

近几年为Micro/Mini LED技术的高速发展期；中国专利申请趋势与全球总体一致，并且近5年发展迅猛全球领先。

海外Facebook和苹果公司分别位列第一、第二，国内京东方、歌尔股份、三安光电等也都名列前茅。


3、GaN在电力电子领域的应用

GaN高效率、低损耗与高频率的材料特性使其在消费电子充电器、电源适配器等领域具有相当的渗透潜力。


快充带动GaN功率器件应用

与传统充电器相比，相同功率下的GaN充电器体积更小，质量更轻携带便利。GaN充电器充电功率大，充电速度快，可满足多台设备同时充电的场景需求，且价格相对便宜。小米、华为、努比亚等手机厂商开始入局氮化镓充电器市场，氮化镓充电器市场已经进入百花齐放的时代。

氮化镓的应用加速了快充充电器的市场发展。华经产业研究院数据显示，预计到2026年，中国氮化镓充电器市场规模将上升至50亿元。因此，GaN充电器在消费电子快充领域市场需求量大。

此外，光伏、数据中心、云计算等领域都在不同程度为GaN功率器件市场增长提供助力。例如，随着“东数西算”工程、智慧城市等建设不断推进，数据中心建设迎来提速。同时，随着数据中心建设体量的增加，数据中心市场耗电量未来一段时间将持续走高。因此降低能耗、建设绿色数据中心成为发展趋势。而在数据中心的使用场景下，氮化镓凭借高效率的优势，可带来显著的节能增效并降低成本。


新能源汽车成为GaN功率半导体市场增长驱动力

GaN功率半导体主要应用于新能源汽车的车载充电器OBC、DC-DC/DC-AC、BMS电池管理系统等。

头豹研究院数据显示，GaN功率半导体可在节能70%的同时使新能源汽车充电效率达到98%，增加5%续航。目前已有丰田、宝马等多家汽车厂商入局GaN领域。

中汽协数据显示，2022年全国新能源汽车销量达到680万辆，同比增长93.4%，渗透率爆发式提升，汽车电动化等级提升显著增加了功率半导体单车价值量。

未来，新能源汽车数量的不断增长、渗透率的提升，GaN潜在市场空间巨大，拓展新能源汽车应用市场、提高渗透率是GaN行业重要的发展趋势。