隨著電力電子、新能源、電動汽車、5G通訊、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)和智能工業(yè)等領域的興起，對功率器件的性能提出了越來越高的要求。由于傳統(tǒng)硅（Si）器件已達到材料的物理極限，無法滿足當前應用場景的需求，尋找Si以外新一代的半導體材料變得至關重要。在這個過程中，氮化鎵（ GaN ）近年來作為一個高頻詞匯，進入了人們的視野。源于其獨特的材料屬性，GaN具有寬帶隙、高擊穿電壓、高熱導率、高電子遷移率和高飽和電子速度的優(yōu)秀性能。

GaN被稱為“終極半導體材料”，可以用于制造用途廣泛、性能強大的新一代微芯片，屬于所謂寬禁帶（wide-bandgap，氮化鎵的禁帶寬度是3.4 eV電子伏特）半導體之列，是研制高效率、高功率微電子器件、光電子器件的新型半導體材料。

相較于已經(jīng)發(fā)展多年的第一代半導體材料硅（Si）和第二代半導體材料砷化鎵（GaAs），GaN是后進者，但它擁有更大的成本控制潛力和其他獨特優(yōu)勢，目前廣泛應用于電力電子領域、射頻電子領域和光電子領域。根據(jù)Yole統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2026年GaN市場規(guī)模將達到11億美元。

01 電力電子領域應用

電力電子領域具體應用有智能電網(wǎng)、工業(yè)電機、新能源汽車、電源轉換系統(tǒng)，代表企業(yè)為英諾賽科、蘇州能訊等

02射頻電子領域應用

射頻電子領域應用包括衛(wèi)星通訊、移動終端、國防軍工、無線通信基站，代表企業(yè)為英諾賽科、華潤微電子旗下的大連芯冠等

03光電子領域應用

光電子領域應用包括消菌殺毒、激光顯示、LED照明、LED顯示，代表企業(yè)為三安光電等

GaN在5G方面的應用

5G通訊基站是氮化鎵市場主要驅動因素之一，氮化鎵射頻器件主要應用于無線通訊，占比達49%。氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是射頻應用中常用的半導體材料。

與砷化鎵和磷化銦等高頻工藝相比，氮化鎵器件輸出的功率更大；與LDCMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）和SiC等功率工藝相比，氮化鎵的頻率特性更好。氮化鎵器件的瞬時帶寬更高，這一點很重要，載波聚合技術的使用以及準備使用更高頻率的載波都是為了得到更大的帶寬。

與硅或者其他器件相比，氮化鎵速度更快，因此可以實現(xiàn)更高的功率密度。對于既定功率水平，GaN具有體積小的優(yōu)勢。有了更小的器件，就可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設計變得更加輕松。射頻電路中的一個關鍵組成是PA（功率放大器）。

功率放大器主要由砷化鎵功率放大器和互補式金屬氧化物半導體功率放大器（CMOS PA）組成，其中又以GaAs PA為主流，但隨著5G的到來，砷化鎵器件無法滿足在如此高的頻率下保持高集成度。于是，GaN成為下一個熱點。氮化鎵作為一種寬禁帶半導體，可承受更高的工作電壓，意味著其功率密度及可工作溫度更高，因而具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點。

在5G的關鍵技術Massive MIMO應用中，基站收發(fā)信機上使用大數(shù)量（如32/64等）的陣列天線來實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發(fā)單元陣列配套，因此射頻器件的數(shù)量將大為增加，器件的尺寸大小很關鍵，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現(xiàn)高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。

同時在5G毫米波應用上，GaN的高功率密度特性在實現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸，實現(xiàn)性能成本的最優(yōu)化組合。

除了基站射頻收發(fā)單元陳列中所需的射頻器件數(shù)量大為增加，基站密度和基站數(shù)量也會大為增加，因此相比3G、4G時代，5G時代的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加，因此成本的控制非常關鍵，而硅基氮化鎵在成本上具有巨大的優(yōu)勢，隨著硅基氮化鎵技術的成熟，它能以最大的性價比優(yōu)勢取得市場的突破。

GaN在快充市場的應用

隨著電子產品的屏幕越來越大，充電器的功率也隨之增大，尤其是對于大功率的快充充電器，使用傳統(tǒng)的功率開關無法改變充電器的現(xiàn)狀。

而GaN技術可以做到，因為它是目前全球最快的功率開關器件，并且可以在高速開關的情況下仍保持高效率水平，能夠應用于更小的元件，應用于充電器時可以有效縮小產品尺寸，比如使目前的典型45W適配器設計可以采用25W或更小的外形設計。

氮化鎵充電器可謂吸引了全球眼球，高速高頻高效讓大功率USB PD充電器不再是魁梧磚塊，小巧的體積一樣可以實現(xiàn)大功率輸出，比APPLE原廠30W充電器更小更輕便。

將內置氮化鎵充電器與傳統(tǒng)充電器并排放在一起看看，內置氮化鎵充電器輸出功率達到27W，APPLE USB-C充電器輸出功率30W，兩者功率相差不大，但體積上卻是完全不同的級別，內置氮化鎵充電器比蘋果充電器體積小40%。

GaN在無人駕駛技術中的應用

激光雷達（LiDAR）使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或為周圍環(huán)境制作電子地圖。氮化鎵場效應晶體管相較MOSFET器件而言，開關速度快十倍，使得LiDAR系統(tǒng)具備優(yōu)越的解像度及更快速反應時間等優(yōu)勢，由于可實現(xiàn)優(yōu)越的開關轉換，因此可推動更高準確性。

這些性能推動全新及更廣闊的LiDAR應用領域的出現(xiàn)包括支持電玩應用的偵測實時動作、以手勢驅動指令的計算機及自動駕駛汽車等應用。

與傳統(tǒng)充電器相比，相同功率下的氮化鎵充電器體積更小，質量更輕，攜帶便利。氮化鎵充電器充電功率大，充電速度快，可滿足多臺設備同時充電的場景需求，且價格相對便宜。因此，氮化鎵充電器在消費電子快充領域市場需求量大。

在大力研發(fā)和推進自動化汽車普及過程中，汽車廠商和科技企業(yè)都在尋覓傳感器和攝像頭之間的最佳搭配組合，有效控制成本且可以大批量生產的前提下，最大限度的提升對周圍環(huán)境的感知和視覺能力。

氮化鎵的傳輸速度明顯更快，是目前激光雷達應用中硅元素的100 甚至1000 倍。這樣的速度意味著拍攝照片的速度，照片的銳度以及精準度。

讓我們描述道路前方的事物和變道的顏色預警。激光雷達能檢測前方路段是否有障礙物存在。通過激光雷達你能夠更全面地了解地形變化，一些你無法看到的地形。而單純的使用攝像頭或者雷達都無法勝任這項工作，因為兩者各自身上都有短板和不足。

GaN在電動汽車中的技術應用

早在2020年，GaN Systems展示了一款采用太陽能電池的全氮化鎵汽車，證明了氮化鎵在功率轉換方面的可行性，也證明了氮化鎵在汽車上也有很大的應用前景。比如電動汽車的AS1531車載充電器(OBC)，使用GaN器件，可以將尺寸降低到原來的五分之一，充電效率可以達到98%，散熱結構也可以降低。GaN器件在DC/DC上的顯著提升是功率密度大大提高，可以從1kw/L提升到2kw/L。

另一方面，目前電動汽車的高端車型正逐漸向800V以上的高壓平臺推廣，但氮化鎵可以繼續(xù)提高原有800V以下平臺的效率。未來中低端汽車市場將有很大的發(fā)展空間。此外，目前碳化硅應用的主要問題是碳化硅襯底難以生長，產量低導致成本高。氮化鎵功率裝置可以生長在硅襯底上，即硅基氮化鎵器件，大多采用標準的CMOS工藝，因此氮化鎵在成本、生產能力和供應方面比碳化硅具有一定的優(yōu)勢。

目前，氮化鎵正展現(xiàn)出廣闊的應用前景。作為第三代半導體新技術，也是全球各國爭相角逐的市場，并且市面上已經(jīng)形成了多股氮化鎵代表勢力。目前氮化鎵在半導體行業(yè)中滲透率較低，未來發(fā)展空間巨大，也將應用在更多場景中。

(來源：安納芯半導體)