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

5G時(shí)代,第三代半導(dǎo)體優(yōu)勢明顯

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅(Si)、鍺(Ge)元素半導(dǎo)體。它們在國際信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的各類分立器件和集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。

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

第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料。

寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體材料相比,第三 代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)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(dǎo)體材料及器件的研究來看,較為成熟 的第三代半導(dǎo)體材料是SiC和GaN,而ZnO、金剛石、氮化鋁等第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料的氮化鎵(GaN),是一種堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)(熔點(diǎn)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(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)多年,近期廣為人知,是因?yàn)樗梢杂迷诔潆娖髦小?/p>

今年2月,小米發(fā)布新品,其中65W GaN充電器成為一大亮點(diǎn)。

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(guī)充電器小了50%),且售價(jià)只要149元,性價(jià)比較高。3天預(yù)約就超5萬,一時(shí)間,這一黑科技產(chǎn)品站上了風(fēng)口,氮化鎵也因此引發(fā)市場的強(qiáng)烈關(guān)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(fā)布了全球首款65W GaN充電器。兩家大廠相繼布局,意味著技術(shù)已經(jīng)進(jìn)一步成熟。

而且,氮化鎵充電器并不僅僅用于手機(jī)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(huì)用到氮化鎵充電器。

5G帶來更廣闊的應(yīng)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(yīng)用于光電、射頻領(lǐng)域。

非常值得一提的是,在射頻領(lǐng)域,氮化鎵射頻器件適合高頻高功率場景,是5G時(shí)代的絕佳產(chǎn)品,將替代Si基芯片,應(yīng)用在5G基站、衛(wèi)星通信、軍用雷達(dá)等場景。

在政治局會(huì)議多次點(diǎn)名之下,5G基站的建設(shè)迎來高峰,相應(yīng)的各種射頻器件、芯片數(shù)量和質(zhì)量都在提升,市場需求旺盛。氮化鎵工藝正在逐步占領(lǐng)市場,已經(jīng)勢不可擋。拓璞產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)到2023年基站端GaN射頻器件規(guī)模達(dá)到頂峰,達(dá)到112．6億元。

再加上衛(wèi)星通信、軍用雷達(dá)的市場,據(jù)預(yù)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(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。疫情當(dāng)前,中美都啟用了基于GaN的紫外光進(jìn)行消毒殺菌,相關(guān)市場隨之增長。