第三代半導體了解一下?走進氮化鎵的廣闊天地

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。因為它是全球首款採用了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。這標誌著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，令不少強迫症患者持續焦慮。製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，儘管消費者因為緩解了電量焦慮所以並不怎麼在意，但這對矛盾對於業界卻是一個痛點。充電頭從早期的5W到普遍的18W，體積尚在可容許範圍內。但到了27W之後，已經是急劇「增肥」。對於筆記本、平板等終端廠商而言，增加體積就等於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，快充統一採用PD標準之後，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，屬於人造化合物。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℃，並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，比如矽的禁帶寬度僅為1.1eV，這一區別使得GaN非常適合製造光電器件。

GaN的晶體結構

「禁帶寬度」是半導體領域的一個專有概念。所謂半導體並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」裡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，通常大於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。常見的電晶體，就是通過改變控制極的電壓，來控制電晶體的導通或截止，簡而言之就像水閘一樣。

絕緣體、半導體、導體的禁帶寬度示意

GaN自1990年起就活躍在LED行業，是LED包括雷射二極體的核心組成部分。GaN是少數能夠發出藍光的材料之一，可製作藍光雷射頭。不過，現在市場上廣泛使用的都是基於藍寶石或碳化矽襯底的氮化鎵LED，導致LED晶片存在非常高的缺陷密度。如果能用GaN本身作為襯底，則LED晶片的缺陷密度將降低為現在的百分之一甚至千分之一，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。

其貌不揚的GaN真身

當然GaN的主場並不限於此。GaN可在200℃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，有利於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，愛國者飛彈防禦系統製造商美國雷神公司推出了基於GaN的相控陣天線系統，能夠為愛國者飛彈防禦系統提供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非常適合於山雨欲來的5G通信領域。在5G的關鍵技術Massive MIMO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，用於實現發射通道的射頻信號放大。

已建成的5G基站，方盒子裡面全是密密麻麻的RF和BF收發模塊。

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。

伴隨著用戶量和數據量的劇增，基站MIMO陣列天線也越來越複雜。

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121.7億元。

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電晶體（MOSFET）實現的。MOSFET簡單說來就是開關型的電晶體，有別於傳統的晶體三極體是電流驅動，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、螢光燈、DC/DC轉換器等設備中有著無法替代的作用。

兩種不同類型的MOSFET

GaN MOSFET極大突破了開關速度，並在高速開關狀態下仍保持高效率。由於GaN臨界擊穿電場比矽更高，其漏極和源極可承受更高的電壓，導通電阻也比矽基MOSFET更小，並且效率更高、速度更快。GaN應用於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的研究並非一帆風順。十多年前，GaN產量稀少，價格昂貴，並不利於功率系統使用。直至2009年6月，宜普電源轉換公司才推出了第一款增強型矽基GaN高電子遷移率電晶體（HEMT）。隨後，松下、富士通、GaN Systems、英飛凌等紛紛開始研發GaN功率電晶體，GaN電源研發、設計、製造才算是正式開始。

2016年，FinSix推出了Dart系列電源。2018年，臺達發布了Innergie PowerGear 60C電源。這兩款產品都傳言使用了GaN，並且價格高達700元人民幣，但最終被證實仍是傳統的矽基器件。

Innergie PowerGear 60C與MacBook Pro電源適配器的對比

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，並且支持USB PD，價格親民，迅速成了網紅。然而口紅電源依然是基於傳統的矽基功率MOSFET，只是用了一種高功率且價格昂貴的Cool MOS。很多小廠也在嘗試45W～65W的小體積電源，但結果並不如意。

Thinkplus口紅電源裡採用的CoolMOS，來自英飛凌。

因此，不難理解ANKER推出PowerPort Atom PD 1為什麼能引起極大的關注，因為能在量產電源裡用上GaN功率MOSFET確實挺不容易。不過現在，採用GaN的電源適配器已經頗為常見了。GaN電晶體由於採用標準矽襯底製造，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。

ANKER PowerPort Atom PD 1採用了PI Inno GaN一體化晶片SC1933C，是一顆GaN功率器件，無需輔助散熱，讓充電器的設計得以大大簡化。

鑫谷在2019年臺北電腦展上展示的旗艦產品：崑崙電源，在國產電源中首次使用GaN FET。可以看到，圖中紅色框起來的方形小貼片就是GaN，體積非常小巧，能夠節省電源內部的空間。

GaN在其他行業也有重要用途。例如，雷射雷達（LiDAR）使用雷射脈衝快速形成三維圖像或為周圍環境製作電子地圖。由於GaN MOSFET比傳統器件的開關速度快上十倍，使得LiDAR系統具備優越的解析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。

搭載在戰鬥機上的相控陣雷達，密恐患者的剋星。

OPPO已經開始在手機充電器中導入GaN技術，從而讓自家的SuperVOOC擁有更高效的快充能力。

互不替代，各司其職

目前，矽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有著各種神奇的特徵，那麼它是否能夠取代矽的霸主地位？答案是否定的。功率電路和邏輯電路需要常開和常關兩種電晶體的配合，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，也就是常開型電晶體。

如果要生產常關型電晶體，要麼依賴於傳統的矽基MOSFET，要麼需要特殊的附加層，但這樣一來就失去了體積優勢。此外，目前無法以和矽電晶體相同的規模生產GaN電晶體，因為矽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，製造出無缺陷的矽晶圓，這是其他任何材料都無法做到的。

典型的CMOS「非」門電路，在這種領域裡矽無可替代。

術業有專攻，GaN的優秀特性決定了它並不需要在邏輯電路領域與矽競爭，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。由於歷史原因，我國並沒有趕上第一、二代半導體的馬車，但多年來在LED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，這可能會是一次後發趕超的好機會。