第三代半導體了解—下?走進氮化鎵的廣闊天地

張丁山

也許有讀者還記得ANKER去年發布過一款型號為PowerPort Atom PD1的充電器，它在當時吸引了很多關注的目光。因為它是全球首款采用了GaN（氮化鎵）半導體的消費級產品，以普通手機充電頭的體積，輸出可達30W的功率。這標志著GaN作為第三代半導體新寵，在消費市場開始走向成熟。本次我們就來了解一下GaN的神奇之處。功率剛需，體積焦慮

人類社會從來沒有像現在一樣在意手機電量，畢竟得先有電，才能實現現代版馬斯洛需求層次中的第一層：無線網絡需求。目前，電池技術的發展遠遠跟不上手機的進化，續航時間捉襟見肘，令不少強迫癥患者持續焦慮。制造商通用的解決辦法就是通過提升充電頭的輸出功率來縮短充電時間，曲線救國，也就是所謂的快充。然而高功率必然帶來大體積，盡管消費者因為緩解了電量焦慮所以并不怎么在意，但這對矛盾對于業界卻是一個痛點。充電頭從早期的5w到普遍的18W，體積尚在可容許范圍內。但到了27W之后，已經是急劇“增肥”。對于筆記本、平板等終端廠商而言，增加體積就等于增加了物料和運輸成本。

我們知道，任何元器件，其單位體積的功率轉換都會有天花板，區別只是天花板高低的問題。現在，第一代和第二代半導體材料在輸出功率方面已經達到了極限，要提高功率只能增大器件體積，同時留出足夠的散熱空間。當然值得欣慰的是，快充統一采用PD標準之后，手機和筆記本電腦能夠共用電源，出門可以少帶一個充電頭，不過這治標不治本。現在業界正在努力尋找能承受高功率且轉換效率高的材料，轉換效率高意味著電流損耗降低，發熱量降低，才能從根本上解決功率與體積的矛盾。而氮化鎵（GaN）此時正好路過。

源自人造，我們不一樣

氮化鎵，分子式GaN，屬于人造化合物。之所以強調人造，是因為需要2000多度的高溫和近萬個大氣壓下才能合成為氮化鎵，這在自然界比較困難。GaN熔點為1700°C，并具有六方纖鋅礦結構，因此相當堅硬，化學性質也非常穩定。GaN是二元Ⅲ-v族的直接帶隙半導體，在室溫下的禁帶寬度為3.4eV，超過了大多數的半導體材料，比如硅的禁帶寬度僅為1.1eV，這一區別使得GaN非常適合制造光電器件。

“禁帶寬度”是半導體領域的一個專有概念。所謂半導體并不是說導電能力只有導體的一半，而是它可以根據需求導通或者絕緣。實際上，世間萬物的導電性都是由“導帶”里含有的電子數量決定的，當電子從“價帶”獲得能量躍遷至“導帶”時，電子就可以在帶間任意移動而導電。導帶的最低點和價帶的最高點之間的能量差，就是所謂的“禁帶寬度”，用電子伏特eV作為衡量單位。金屬的禁帶寬度非常小，電子很容易獲得能量躍遷而導電，但絕緣材料的禁帶寬度就很大，通常大于9eV，電子很難跳躍，所以無法導電。一般半導體材料的禁帶寬度為1eV～3eV，只要給予適當的能量激發，就能導電。常見的晶體管，就是通過改變控制極的電壓，來控制晶體管的導通或截止，簡而言之就像水閘一樣。

GaN自1990年起就活躍在L印行業，是L印包括激光二極管的核心組成部分。GaN是少數能夠發出藍光的材料之一，可制作藍光激光頭。不過，現在市場上廣泛使用的都是基于藍寶石或碳化硅襯底的氮化鎵LED，導致LED芯片存在非常高的缺陷密度。如果能用GaN本身作為襯底，則LED芯片的缺陷密度將降低為現在的百分之_甚至干分之一，那時候使用GaN材料的LED亮度、發光效率、壽命均遠遠超過節能燈。

當然GaN的主場并不限于此。GaN可在200°C以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高;較大的禁帶寬度和擊穿能力，使得器件導通電阻減少，有利于提升器件整體的能效;更高的電子飽和速度和電子遷移率，可讓器件高速地工作。簡單說來，就是GaN能做出高能效、低能耗、高頻率、大帶寬、小體積的半導體元器件。

因為高效，所以專業

軍事領域是GaN研究的發源地，實際上最早GaN就是在美國國防部的推動下開始的。2016年3月，愛國者導彈防御系統制造商美國雷神公司推出了基于GaN的相控陣天線系統，能夠為愛國者導彈防御系統提供360°無死角的雷達搜索制導能力。機載火控雷達、彈載導引頭、艦載預警防空雷達等，也越來越多使用這種相控陣天線系統。現在，這些技術正在慢慢從軍用轉為民用，例如汽車無人駕駛系統、60GHz wi-Fi、5G通信等。

GaN非常適合于山雨欲來的5G通信領域。在5G的關鍵技術MassiveMIMO中，基站要使用大型陣列天線來實現更大的無線數據流量和連接可靠性，這種架構需要大量的射頻器件。射頻電路中的一個關鍵組成是PA功率放大器，用于實現發射通道的射頻信號放大。目前PA以砷化鎵器件為主流，但砷化鎵器件無法在5G的高頻率下保持高集成度，這將射頻器件的體積成為一大難題。同時基站數量和密度將成倍增加，對射頻器件的需求量將是幾何級數增長，因此控制器件體積和成本十分關鍵。

GaN的高效率和高功率密度的特點，讓它在既定功率水平下能夠做到更小的體積;GaN的大帶寬特性是實現多頻載波聚合等重要新技術的關鍵因素之一。同時，在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，GaN可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸，實現性能成本的最優化組合。

業內習慣把2019年作為國內5G建設元年，運營商紛紛搶灘基站建設，由此帶來GaN放大器的海量需求。預計到2020年，基站端GaN放大器市場規模可達32.7億元，到2023年將達到121.71乙元。

本文開頭已經說過，GaN用在電源上，實現了小體積兼顧大功率輸出，這是通過GaN材料的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MosFET）實現的。MosFET簡單說來就是開關型的晶體管，有別于傳統的晶體三極管是電流驅動，MOSFET是電壓驅動型器件，只需在門極施加一個合適的電壓，MOsFET就會導通。這一特性讓MOSFET在AC/DC開關電源、變速電機、熒光燈、DC/Dc轉換器等設備中有著無法替代的作用。

GaN MOSFET極大突破了開關速度，并在高速開關狀態下仍保持高效率。由于GaN臨界擊穿電場比硅更高，其漏極和源極可承受更高的電壓，導通電阻也比硅基MOSFET更小，并且效率更高、速度更快。GaN應用于電源適配器時可以有效縮小產品尺寸，比如可通過25W電源的體積輸出45W或更高的功率。

GaN MOSFET的研究并非一帆風順。十多年前，GaN產量稀少，價格昂貴，并不利于功率系統使用。直至2009年6月，宜普電源轉換公司才推出了第一款增強型硅基GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）。隨后，松下、富士通、GaN Systems、英飛凌等紛紛開始研發GaN功率晶體管，GaN電源研發、設計，制造才算是正式開始。

2016年，FinSix推出了Dart系列電源。2018年，臺達發布了InnergiePowerGear 60C電源。這兩款產品都傳言使用7GaN，并目價格高達700元人民幣，但最終被證實仍是傳統的硅基器件。2018年底，Thinkpad推出Thinkplus口紅電源，以口紅大小的體積輸出了65W的功率，并且支持usBPD，價格親民，迅速成了網紅。然而口紅電源依然是基于傳統的硅基功率MOSFET，只是用了一種高功率目價格昂貴的Cool MOS。很多小廠也在嘗試45W-65W的小體積電源，但結果并不如意。

因此，不難理解ANKER推出PowerPort Atom PD1為什么能引起極大的關注，因為能在量產電源里用上GaN功率MOSFET確實挺不容易。不過現在，采用GaN的電源適配器已經頗為常見了。GaN晶體管由于采用標準硅襯底制造，不會增加成本，而且它既定功率需要的面積更小，單位產出更多，成本反而會更低。

GaN在其他行業也有重要用途。例如，激光雷達（LiDAR）使用激光脈沖快速形成三維圖像或為周圍環境制作電子地圖。由于GaN MOSFET比傳統器件的開關速度快上十倍，使得LiDAR系統具備優越的解像度及更快速反應時間等優勢，這在VR中偵測實時動作、在汽車自動駕駛系統中提升對周圍環境的感知和視覺能力，都將發揮重要作用。

互不替代，各司其職

目前，硅材料正在遭遇造物主設置的物理極限門檻，摩爾定律已經顯出頹勢。既然GaN有著各種神奇的特征，那么它是否能夠取代硅的霸主地位？答案是否定的。功率電路和邏輯電路需要常開和常關兩種晶體管的配合，GaN器件通常是耗盡型器件，當柵極-源極電壓為0時它是導通狀態，也就是常開型晶體管。如果要生產常關型晶體管，要么依賴于傳統的硅基M0sFET，要么需要特殊的附加層，但這樣一來就失去了體積優勢。此外，目前無法以和硅晶體管相同的規模生產GaN晶體管，因為硅無論是工藝還是成本都已經非常成熟——人們可以用遍布整個地球的沙子，制造出無缺陷的硅晶圓，這是其他任何材料都無法做到的。

術業有專攻，GaN的優秀特性決定了它并不需要在邏輯電路領域與硅競爭，大家各有所長，各司其職。國外在GaN單晶材料研究方面起步較早，歐美、日本都取得了一定的成果。由于歷史原因，我國并沒有趕上第一、二代半導體的馬車，但多年來在L印領域的耕耘，使得國內已經具備了GaN的產業基礎，包括設備、產業鏈配套、技術人員等，甚至連飛利浦、歐司朗這些玩燈的高手都把照明業務賣給中國。加之國內巨大的市場產生的拉動力，這可能會是—次后發趕超的好機會。