第三代半導(dǎo)體了解—下?走進(jìn)氮化鎵的廣闊天地

張丁山

也許有讀者還記得ANKER去年發(fā)布過一款型號為PowerPort Atom PD1的充電器，它在當(dāng)時(shí)吸引了很多關(guān)注的目光。因?yàn)樗侨蚴卓畈捎昧薌aN（氮化鎵）半導(dǎo)體的消費(fèi)級產(chǎn)品，以普通手機(jī)充電頭的體積，輸出可達(dá)30W的功率。這標(biāo)志著GaN作為第三代半導(dǎo)體新寵，在消費(fèi)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(huì)從來沒有像現(xiàn)在一樣在意手機(jī)電量，畢竟得先有電，才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代版馬斯洛需求層次中的第一層：無線網(wǎng)絡(luò)需求。目前，電池技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上手機(jī)的進(jìn)化，續(xù)航時(shí)間捉襟見肘，令不少強(qiáng)迫癥患者持續(xù)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(shí)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(fèi)者因?yàn)榫徑饬穗娏拷箲]所以并不怎么在意，但這對矛盾對于業(yè)界卻是一個(gè)痛點(diǎn)。充電頭從早期的5w到普遍的18W，體積尚在可容許范圍內(nèi)。但到了27W之后，已經(jīng)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(yùn)輸成本。

我們知道，任何元器件，其單位體積的功率轉(zhuǎn)換都會(huì)有天花板，區(qū)別只是天花板高低的問題。現(xiàn)在，第一代和第二代半導(dǎo)體材料在輸出功率方面已經(jīng)達(dá)到了極限，要提高功率只能增大器件體積，同時(shí)留出足夠的散熱空間。當(dāng)然值得欣慰的是，快充統(tǒng)一采用PD標(biāo)準(zhǔn)之后，手機(jī)和筆記本電腦能夠共用電源，出門可以少帶一個(gè)充電頭，不過這治標(biāo)不治本。現(xiàn)在業(yè)界正在努力尋找能承受高功率且轉(zhuǎn)換效率高的材料，轉(zhuǎn)換效率高意味著電流損耗降低，發(fā)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(shí)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(qiáng)調(diào)人造，是因?yàn)樾枰?000多度的高溫和近萬個(gè)大氣壓下才能合成為氮化鎵，這在自然界比較困難。GaN熔點(diǎn)為1700°C，并具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，因此相當(dāng)堅(jiān)硬，化學(xué)性質(zhì)也非常穩(wěn)定。GaN是二元Ⅲ-v族的直接帶隙半導(dǎo)體，在室溫下的禁帶寬度為3.4eV，超過了大多數(shù)的半導(dǎo)體材料，比如硅的禁帶寬度僅為1.1eV，這一區(qū)別使得GaN非常適合制造光電器件。

“禁帶寬度”是半導(dǎo)體領(lǐng)域的一個(gè)專有概念。所謂半導(dǎo)體并不是說導(dǎo)電能力只有導(dǎo)體的一半，而是它可以根據(jù)需求導(dǎo)通或者絕緣。實(shí)際上，世間萬物的導(dǎo)電性都是由“導(dǎo)帶”里含有的電子數(shù)量決定的，當(dāng)電子從“價(jià)帶”獲得能量躍遷至“導(dǎo)帶”時(shí)，電子就可以在帶間任意移動(dòng)而導(dǎo)電。導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)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(dǎo)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(dǎo)電。一般半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為1eV～3eV，只要給予適當(dāng)?shù)哪芰考ぐl(fā)，就能導(dǎo)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(dǎo)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(yè)，是L印包括激光二極管的核心組成部分。GaN是少數(shù)能夠發(fā)出藍(lán)光的材料之一，可制作藍(lán)光激光頭。不過，現(xiàn)在市場上廣泛使用的都是基于藍(lán)寶石或碳化硅襯底的氮化鎵LED，導(dǎo)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(xiàn)在的百分之_甚至干分之一，那時(shí)候使用GaN材料的LED亮度、發(fā)光效率、壽命均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過節(jié)能燈。

當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)體元器件。

因?yàn)楦咝В詫I(yè)

軍事領(lǐng)域是GaN研究的發(fā)源地，實(shí)際上最早GaN就是在美國國防部的推動(dòng)下開始的。2016年3月，愛國者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)制造商美國雷神公司推出了基于GaN的相控陣天線系統(tǒng)，能夠?yàn)閻蹏邔?dǎo)彈防御系統(tǒng)提供360°無死角的雷達(dá)搜索制導(dǎo)能力。機(jī)載火控雷達(dá)、彈載導(dǎo)引頭、艦載預(yù)警防空雷達(dá)等，也越來越多使用這種相控陣天線系統(tǒng)。現(xiàn)在，這些技術(shù)正在慢慢從軍用轉(zhuǎn)為民用，例如汽車無人駕駛系統(tǒng)、60GHz wi-Fi、5G通信等。

GaN非常適合于山雨欲來的5G通信領(lǐng)域。在5G的關(guān)鍵技術(shù)MassiveMIMO中，基站要使用大型陣列天線來實(shí)現(xiàn)更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構(gòu)需要大量的射頻器件。射頻電路中的一個(gè)關(guān)鍵組成是PA功率放大器，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)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(shí)基站數(shù)量和密度將成倍增加，對射頻器件的需求量將是幾何級數(shù)增長，因此控制器件體積和成本十分關(guān)鍵。

GaN的高效率和高功率密度的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)多頻載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，GaN可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸，實(shí)現(xiàn)性能成本的最優(yōu)化組合。

業(yè)內(nèi)習(xí)慣把2019年作為國內(nèi)5G建設(shè)元年，運(yùn)營商紛紛搶灘基站建設(shè)，由此帶來GaN放大器的海量需求。預(yù)計(jì)到2020年，基站端GaN放大器市場規(guī)模可達(dá)32.7億元，到2023年將達(dá)到121.71乙元。

本文開頭已經(jīng)說過，GaN用在電源上，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MosFET）實(shí)現(xiàn)的。MosFET簡單說來就是開關(guān)型的晶體管，有別于傳統(tǒng)的晶體三極管是電流驅(qū)動(dòng)，MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，只需在門極施加一個(gè)合適的電壓，MOsFET就會(huì)導(dǎo)通。這一特性讓MOSFET在AC/DC開關(guān)電源、變速電機(jī)、熒光燈、DC/Dc轉(zhuǎn)換器等設(shè)備中有著無法替代的作用。

GaN MOSFET極大突破了開關(guān)速度，并在高速開關(guān)狀態(tài)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(dǎo)通電阻也比硅基MOSFET更小，并且效率更高、速度更快。GaN應(yīng)用于電源適配器時(shí)可以有效縮小產(chǎn)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(fēng)順。十多年前，GaN產(chǎn)量稀少，價(jià)格昂貴，并不利于功率系統(tǒng)使用。直至2009年6月，宜普電源轉(zhuǎn)換公司才推出了第一款增強(qiáng)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(fā)GaN功率晶體管，GaN電源研發(fā)、設(shè)計(jì)，制造才算是正式開始。

2016年，F(xiàn)inSix推出了Dart系列電源。2018年，臺達(dá)發(fā)布了InnergiePowerGear 60C電源。這兩款產(chǎn)品都傳言使用7GaN，并目價(jià)格高達(dá)700元人民幣，但最終被證實(shí)仍是傳統(tǒng)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(jià)格親民，迅速成了網(wǎng)紅。然而口紅電源依然是基于傳統(tǒng)的硅基功率MOSFET，只是用了一種高功率目價(jià)格昂貴的Cool MOS。很多小廠也在嘗試45W-65W的小體積電源，但結(jié)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(guān)注，因?yàn)槟茉诹慨a(chǎn)電源里用上GaN功率MOSFET確實(shí)挺不容易。不過現(xiàn)在，采用GaN的電源適配器已經(jīng)頗為常見了。GaN晶體管由于采用標(biāo)準(zhǔn)硅襯底制造，不會(huì)增加成本，而且它既定功率需要的面積更小，單位產(chǎn)出更多，成本反而會(huì)更低。

GaN在其他行業(yè)也有重要用途。例如，激光雷達(dá)（LiDAR）使用激光脈沖快速形成三維圖像或?yàn)橹車h(huán)境制作電子地圖。由于GaN MOSFET比傳統(tǒng)器件的開關(guān)速度快上十倍，使得LiDAR系統(tǒng)具備優(yōu)越的解像度及更快速反應(yīng)時(shí)間等優(yōu)勢，這在VR中偵測實(shí)時(shí)動(dòng)作、在汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中提升對周圍環(huán)境的感知和視覺能力，都將發(fā)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(shè)置的物理極限門檻，摩爾定律已經(jīng)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(guān)兩種晶體管的配合，GaN器件通常是耗盡型器件，當(dāng)柵極-源極電壓為0時(shí)它是導(dǎo)通狀態(tài)，也就是常開型晶體管。如果要生產(chǎn)常關(guān)型晶體管，要么依賴于傳統(tǒng)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(yōu)勢。此外，目前無法以和硅晶體管相同的規(guī)模生產(chǎn)GaN晶體管，因?yàn)楣锜o論是工藝還是成本都已經(jīng)非常成熟——人們可以用遍布整個(gè)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(shù)業(yè)有專攻，GaN的優(yōu)秀特性決定了它并不需要在邏輯電路領(lǐng)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(dǎo)體的馬車，但多年來在L印領(lǐng)域的耕耘，使得國內(nèi)已經(jīng)具備了GaN的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，包括設(shè)備、產(chǎn)業(yè)鏈配套、技術(shù)人員等，甚至連飛利浦、歐司朗這些玩燈的高手都把照明業(yè)務(wù)賣給中國。加之國內(nèi)巨大的市場產(chǎn)生的拉動(dòng)力，這可能會(huì)是—次后發(fā)趕超的好機(jī)會(huì)。