随着电力电子、新能源、电动汽车、5G通讯、高速轨道列车、能源互联网和智能工业等领域的兴起，对功率器件的性能提出了越来越高的要求。由于传统硅（Si）器件已达到材料的物理极限，无法满足当前应用场景的需求，寻找Si以外新一代的半导体材料变得至关重要。在这个过程中，氮化镓（ GaN ）近年来作为一个高频词汇，进入了人们的视野。源于其独特的材料属性，GaN具有宽带隙、高击穿电压、高热导率、高电子迁移率和高饱和电子速度的优秀性能。
GaN被称为“终极半导体材料”，可以用于制造用途广泛、性能强大的新一代微芯片，属于所谓宽禁带（wide-bandgap，氮化镓的禁带宽度是3.4 eV电子伏特）半导体之列，是研制高效率、高功率微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。
相较于已经发展多年的第一代半导体材料硅（Si）和第二代半导体材料砷化镓（GaAs），GaN是后进者，但它拥有更大的成本控制潜力和其他独特优势，目前广泛应用于电力电子领域、射频电子领域和光电子领域。根据Yole统计数据显示，2026年GaN市场规模将达到11亿美元。
01 电力电子领域应用
电力电子领域具体应用有智能电网、工业电机、新能源汽车、电源转换系统，代表企业为英诺赛科、苏州能讯等
02射频电子领域应用
射频电子领域应用包括卫星通讯、移动终端、国防军工、无线通信基站，代表企业为英诺赛科、华润微电子旗下的大连芯冠等
03光电子领域应用
光电子领域应用包括消菌杀毒、激光显示、LED照明、LED显示，代表企业为三安光电等
GaN在5G方面的应用
5G通讯基站是氮化镓市场主要驱动因素之一，氮化镓射频器件主要应用于无线通讯，占比达49%。氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是射频应用中常用的半导体材料。
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（横向扩散金属氧化物半导体）和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，这一点很重要，载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。
与硅或者其他器件相比，氮化镓速度更快，因此可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平，GaN具有体积小的优势。有了更小的器件，就可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。射频电路中的一个关键组成是PA（功率放大器）。
功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器（CMOS PA）组成，其中又以GaAs PA为主流，但随着5G的到来，砷化镓器件无法满足在如此高的频率下保持高集成度。于是，GaN成为下一个热点。氮化镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高的工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。
在5G的关键技术Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数量（如32/64等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，器件的尺寸大小很关键，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。
同时在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸，实现性能成本的最优化组合。
除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比3G、4G时代，5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加，因此成本的控制非常关键，而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势，随着硅基氮化镓技术的成熟，它能以最大的性价比优势取得市场的突破。
GaN在快充市场的应用
随着电子产品的屏幕越来越大，充电器的功率也随之增大，尤其是对于大功率的快充充电器，使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。
而GaN技术可以做到，因为它是目前全球最快的功率开关器件，并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平，能够应用于更小的元件，应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸，比如使目前的典型45W适配器设计可以采用25W或更小的外形设计。
氮化镓充电器可谓吸引了全球眼球，高速高频高效让大功率USB PD充电器不再是魁梧砖块，小巧的体积一样可以实现大功率输出，比APPLE原厂30W充电器更小更轻便。
将内置氮化镓充电器与传统充电器并排放在一起看看，内置氮化镓充电器输出功率达到27W，APPLE USB-C充电器输出功率30W，两者功率相差不大，但体积上却是完全不同的级别，内置氮化镓充电器比苹果充电器体积小40%。
GaN在无人驾驶技术中的应用
激光雷达（LiDAR）使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。氮化镓场效应晶体管相较MOSFET器件而言，开关速度快十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，由于可实现优越的开关转换，因此可推动更高准确性。
这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。
与传统充电器相比，相同功率下的氮化镓充电器体积更小，质量更轻，携带便利。氮化镓充电器充电功率大，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。因此，氮化镓充电器在消费电子快充领域市场需求量大。
在大力研发和推进自动化汽车普及过程中，汽车厂商和科技企业都在寻觅传感器和摄像头之间的最佳搭配组合，有效控制成本且可以大批量生产的前提下，最大限度的提升对周围环境的感知和视觉能力。
氮化镓的传输速度明显更快，是目前激光雷达应用中硅元素的100 甚至1000 倍。这样的速度意味着拍摄照片的速度，照片的锐度以及精准度。
让我们描述道路前方的事物和变道的颜色预警。激光雷达能检测前方路段是否有障碍物存在。通过激光雷达你能够更全面地了解地形变化，一些你无法看到的地形。而单纯的使用摄像头或者雷达都无法胜任这项工作，因为两者各自身上都有短板和不足。
GaN在电动汽车中的技术应用
早在2020年，GaN Systems展示了一款采用太阳能电池的全氮化镓汽车，证明了氮化镓在功率转换方面的可行性，也证明了氮化镓在汽车上也有很大的应用前景。比如电动汽车的AS1531车载充电器(OBC)，使用GaN器件，可以将尺寸降低到原来的五分之一，充电效率可以达到98%，散热结构也可以降低。GaN器件在DC/DC上的显著提升是功率密度大大提高，可以从1kw/L提升到2kw/L。
另一方面，目前电动汽车的高端车型正逐渐向800V以上的高压平台推广，但氮化镓可以继续提高原有800V以下平台的效率。未来中低端汽车市场将有很大的发展空间。此外，目前碳化硅应用的主要问题是碳化硅衬底难以生长，产量低导致成本高。氮化镓功率装置可以生长在硅衬底上，即硅基氮化镓器件，大多采用标准的CMOS工艺，因此氮化镓在成本、生产能力和供应方面比碳化硅具有一定的优势。
目前，氮化镓正展现出广阔的应用前景。作为第三代半导体新技术，也是全球各国争相角逐的市场，并且市面上已经形成了多股氮化镓代表势力。目前氮化镓在半导体行业中渗透率较低，未来发展空间巨大，也将应用在更多场景中。
(来源：安纳芯半导体)
