氮化镓功率器件增长达 90.6% ,为什么GaN器件得到了发展?

在过去的十多年里，行业专家和分析人士一直在预测，基于氮化镓(GaN)功率开关器件的黄金时期即将到来。TrendForce 集邦咨询近日发布了 GaN 氮化镓市场调查报告。报告显示，尽管 2018 年至 2020 年以氮化镓为代表的第三代半导体产业受到贸易摩擦、疫情影响增长受到压力，但 2021 年该产业成长动能有望高速回升，预计 GaN 氮化镓功率器件市场规模将达到 6100 万美元，年增长率达到 90.6%。

一、第三代半导体行业概况：1.什么是第三代半导体?

第三代是指半导体材料的变化，从第一代、第二代过渡到第三代。

第一代半导体材料：锗以及硅，也是目前最大宗的半导体材料，成本相对便宜，制程技术也最为成熟，应用领域在资讯产业以及微电子产业。

第二代半导体材料：砷化镓以及磷化铟，主要应用在通讯产业以及照明产业。

第三代半导体材料：以碳化硅以及氮化镓为代表，可应用在更高阶的高压功率元件以及高频通讯元件领域，是5G时代的主要材料。

氮化镓是一种无机物，化学式GaN，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙(direct bandgap)的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器(Diode-pumped solid-state laser)的条件下，产生紫光(405nm)激光。2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二因发明蓝光LED而获得当年的诺贝尔物理奖。

GaN在1050℃开始分解：2GaN(s)=2Ga(g)+N2(g)。X射线衍射已经指出GaN晶体属纤维锌矿晶格类型的六方晶系。在氮气或氦气中当温度为1000℃时GaN会慢慢挥发，证明GaN在较高的温度下是稳定的，在1130℃时它的蒸气压比从焓和熵计算得到的数值低，这是由于有多聚体分子(GaN)x的存在。GaN不被冷水或热水，稀的或浓的盐酸、硝酸和硫酸，或是冷的40%HF所分解。在冷的浓碱中也是稳定的，但在加热的情况下能溶于碱中。

氮化镓功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市场主流的硅功率器件均有显著数量级的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化镓功率器件的开关频率可以高出1000倍;能量损耗可以降低50%-90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系统成本可以大幅降低。

TrendForce 详细介绍了作出此预测的原因。首先，新冠疫苗的问世有望缓解全球疫情，进而带动工业能源转换所需零组件如逆变器、变频器等，以及通讯基站需求回稳。其次，随着特斯拉 Model 3 电动车逆变器逐渐采用 SiC 碳化硅器件，第三代半导体于车用市场逐渐备受重视。最后，中国政府为提升半导体自主化，今年提出十四五计划投入巨额人民币扩大产能，上述都将成为推升 2021 年 GaN 及 SiC 等第三代半导体高速成长的动能。

时下，多个厂商正在大量的生产GaN器件，这些GaN器件正在被应用于工业、商业甚至要求极为严格的汽车领域的电力和电机控制中。他们的接受度和可信度正在逐渐提高。(请注意，基于GaN的射频功放或功放也取得了很大的成功，但与GaN器件具有不同的应用场合，超出了本文的范围。)本文探讨了GaN器件的潜力，GaN和MOSFET器件的不同，GaN驱动器件成功的关键并介绍了减小栅极驱动环耦合噪声技术。

电源领域也是目前最大的应用市场，高压和低压氮化镓功率器件为交流-直流(AC-DC)、隔离型直流(isolated DC-DC)、负载点(point of load)功能带来附加值。

对于低压氮化镓功率器件，市场也相当有前途：随着不同的无线充电标准发展，如Qi和AirFuel，氮化镓电源多模器件可以方便地为系统集成商所用。

aN器件目前虽有部分晶圆制造代工厂如台积电、世界先进等尝试导入8英寸晶圆生产，但现行主力仍以6英寸为主。因疫情趋缓所带动5G基站射频前端、手机充电器及车用能源传输等需求逐步提升，预期2021年通讯及功率器件营收分别为6.8亿和6,100万美元，年增30.8%及90.6%。

与应用广泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有更高的效率和更强的功耗处理能力。这些优势正是当下高功耗高密度系统、服务器和计算机所需要的，可以说专家所预测的拐点已经到来!对此，大家怎么看?