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 氮化鎵(GaN)被譽為繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料,具有帶隙寬、原子鍵強、導熱率高、化學性能穩定、抗輻照能力強、結構類似纖鋅礦、硬度很高等特點,在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用等方面有著廣闊的應用前景。

5G時代,第三代半導體優勢明顯

第一代半導體材料主要是指硅(Si)、鍺(Ge)元素半導體。它們在國際信息產業技術中的各類分立器件和集成電路、電子信息網絡工程等領域得到了極為廣泛的應用。

第二代半導體材料是指化合物半導體材料,如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP),以及三元化合物半導體材料,如鋁砷化鎵(GaAsAl)、磷砷化鎵(GaAsP)等。還有一些固溶體半導體材料,如鍺硅(Ge-Si)、砷化鎵-磷化鎵(GaAs-GaP)等;玻璃半導體(又稱非晶態半導體)材料,如非晶硅、玻璃態氧化物半導體等;有機半導體材料,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

第三代半導體材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶(禁帶寬度 Eg>2．3eV)的半導體材料。

寬禁帶半導體是高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的適合材料。與第一代和第二代半導體材料相比,第三 代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射 能力,更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。從目前第三代半導體材料及器件的研究來看,較為成熟 的第三代半導體材料是SiC和GaN,而ZnO、金剛石、氮化鋁等第三代半導體材料的研究尚屬起步階段。

靠快充火起來的氮化鎵

作為第三代半導體材料的氮化鎵(GaN),是一種堅硬的高熔點(熔點約為1700℃)材料,具有高頻、高效率、耐高壓等特性,用于制作多種功率器件和芯片。

氮化鎵在半導體材料領域的研究已經持續多年,近期廣為人知,是因為它可以用在充電器中。

今年2月,小米發布新品,其中65W GaN充電器成為一大亮點。

這款充電器易散熱、充電快(比iphone原裝快50%,從0到100%的電量只需45分鐘)、體積小(比常規充電器小了50%),且售價只要149元,性價比較高。3天預約就超5萬,一時間,這一黑科技產品站上了風口,氮化鎵也因此引發市場的強烈關注。

不過這并不是第一款氮化鎵充電器,早在去年四季度,OPPO就發布了全球首款65W GaN充電器。兩家大廠相繼布局,意味著技術已經進一步成熟。

而且,氮化鎵充電器并不僅僅用于手機充電。更小、更便捷的GaN充電器是解放筆記本的一大利器。未來,筆記本、新能源車或許都會用到氮化鎵充電器。

5G帶來更廣闊的應用空間

充電市場并非氮化鎵功率器件的唯一用武之地,它還應用于光電、射頻領域。

非常值得一提的是,在射頻領域,氮化鎵射頻器件適合高頻高功率場景,是5G時代的絕佳產品,將替代Si基芯片,應用在5G基站、衛星通信、軍用雷達等場景。

在政治局會議多次點名之下,5G基站的建設迎來高峰,相應的各種射頻器件、芯片數量和質量都在提升,市場需求旺盛。氮化鎵工藝正在逐步占領市場,已經勢不可擋。拓璞產業研究院預計到2023年基站端GaN射頻器件規模達到頂峰,達到112．6億元。

再加上衛星通信、軍用雷達的市場,據預測GaN射頻市場將從2018年的6．45億美元增長到2024年的約20億美元。

另外,GaN基紫外激光器在紫外光固化、紫外殺菌等領域有重要的應用價值。疫情當前,中美都啟用了基于GaN的紫外光進行消毒殺菌,相關市場隨之增長。