中国粉体网讯 氮化镓(GaN)被誉为继第一代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，具有带隙宽、原子键强、导热率高、化学性能稳定、抗辐照能力强、结构类似纤锌矿、硬度很高等特点，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用等方面有着广阔的应用前景。
2020年2月，小米特别推出了小米10系列手机，其中，小米65W氮化镓充电器的亮相使氮化镓再次成为人们关注的焦点，那么氮化镓材料有哪些无可比拟的优越性？它又能否成为行业的下一个热点呢？
氮化镓材料的优点
典型半导体材料特性参数对比
由典型半导体材料特性参数对比可以看出，GaN和SiC的材料特性主要有以下优点：
（1）临界击穿电场比Si高十倍，较大地提高了这两款半导体功率器件电流密度和耐压容量，同时也较大地降低了导通损耗；
（2）禁带宽度大约是Si的三倍，大大降低了这两款半导体器件的泄露电流，并使这两款半导体器件均有抗辐射特性；此外由于碳化硅材料的耐高温特性，在高温应用场合是具有优势的，理论上工作温度可以达到600℃；
（3）热导率是Si的三倍，有着优异的散热性能，可以大大地提高SiC的集成度、功率密度。
（4）电子饱和漂移速度是Si的两倍，可以让这两款半导体器件在更高的频率下工作。
因此GaN、SiC这两款半导体材料有着Si材料无法企及的优势，所以用这两款半导体材料制造的芯片可以承受更高的电压，输出更高能量密度，更高的工作环境温度。另外，氮化镓GaN器件有着更高的输出阻抗，可以使得阻抗匹配和功率组合更轻松，因此可以覆盖更宽的频率范围，大大地提高射频功率放大器的适用性。
氮化镓材料的应用前景
在军事领域的应用
当前军事与航天领域是氮化镓技术最大的市场。据统计，军事和航天领域占据了GaN器件总市场的40%，最大的应用市场是雷达和电子战系统。2016年3月，爱国者导弹防御系统美国雷神公司宣布采用了最新的基于GaN技术的相控阵天线系统。之前的爱国者导弹防御系统的雷达是采用的被动电子扫描阵列系统，现在的雷达系统改为了基于GaN技术的主动电子扫描阵列，基于GaN技术的主动电子扫描阵列将提供给爱国者导弹防御系统360度无死角的雷达搜索制导能力。包括现在的机载火控雷达、弹载导引头、舰载预警防空雷达系统等等，越来越多的用到了基于GaN技术的相阵防空天线。现在这些GaN技术已经慢慢地正从军用转为民用。例如，汽车驾驶无人系统、60GHz频段的Wi-Fi技术、无线通信基站，还有就是5G基站。
在5G基站等射频领域的应用
射频氮化镓技术是5G的绝配，基站功放使用氮化镓。氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的三五价半导体材料。与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高，基站应用需要更高的峰值功率，这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。
基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一。Yoledevelopment数据显示，2018年，基站端氮化镓射频器件市场规模不足2亿美元，预计到2023年，基站端氮化镓市场规模将超5亿美元。氮化镓射频器件市场整体将保持23%的复合增速，2023年市场规模有望达13亿美元。
在电力电子方面的应用
氮化镓技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出等应用。GaN在未来几年将在许多应用中取代硅，其中，快充是第一个可以大规模生产的应用。GaN器件在高频、高转换效率、低损耗、耐高温上具有极大的优势，随着5G手机耗电量增加，大功率快充将成为标配，GaN快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。
Yoledevelopment数据显示，2018年GaN功率电子器件国内市场规模约为1.2亿元，尚处于应用产品发展初期，但未来市场空间有望持续拓展，在市场乐观预期下2023年GaN功率电子市场规模有望达到4.24亿美元。
我国氮化镓发展面临的问题
氮化镓在性能、效率、能耗、尺寸等多方面较市场主流的硅功率器件均有显著数量级的提升，但其发展也面临着许多问题。
原材料短缺。氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得，因此2英寸售价便高达2万多。
另外，目前我国对SiC晶圆的制备尚为空缺，大多数设备靠国外进口。而主流氮化镓器件公司都采用碳化硅衬底，因为基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好，良率更高，更能体现氮化镓材料优势，但碳化硅衬底成本更高。
原始创新能力低。国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，且氮化镓是重要国防军工产品的关键技术，国外对我国技术封锁，目前我国氮化镓核心材料、器件原始创新能力仍相对薄弱。
氮化镓封装成本极高。氮化镓主要用金属陶瓷封装，封装成本占到整个器件成本的三分之一到一半。尽管业界已经在尝试纯铜、塑封、空腔塑封等形式来替代金属陶瓷封装，但由于金属陶瓷封装在性能、散热与可靠性上的优势，仍然是氮化镓器件的首选封装。
综上，氮化镓虽然发展潜力巨大，在5G通信、电源等市场都有着广阔的前景，但它仍面临这许多挑战，需要国内产学研用等相关方面要勇于挑战，创新合作模式，协同攻关，建立并发展好国内氮化镓产业链，共同促进氮化镓材料的发展。
参考资料：
周国强、李维庆等.射频氮化镓GaN技术及其应用
盛璟、蔡茂.氮化镓GaN的特性及其应用现状
李晓明.5G时代新技术需要关注氮化镓
数码探路人、中国产业信息网
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