在過去的十多年里，行業(yè)專家和分析人士一直在預測，基于氮化鎵(GaN)功率開關器件的黃金時期即將到來。TrendForce 集邦咨詢近日發(fā)布了 GaN 氮化鎵市場調查報告。報告顯示，盡管 2018 年至 2020 年以氮化鎵為代表的第三代半導體產業(yè)受到貿易摩擦、疫情影響增長受到壓力，但 2021 年該產業(yè)成長動能有望高速回升，預計 GaN 氮化鎵功率器件市場規(guī)模將達到 6100 萬美元，年增長率達到 90.6%。

一、第三代半導體行業(yè)概況：1.什么是第三代半導體?

第三代是指半導體材料的變化，從第一代、第二代過渡到第三代。

第一代半導體材料：鍺以及硅，也是目前最大宗的半導體材料，成本相對便宜，制程技術也最為成熟，應用領域在資訊產業(yè)以及微電子產業(yè)。

第二代半導體材料：砷化鎵以及磷化銦，主要應用在通訊產業(yè)以及照明產業(yè)。

第三代半導體材料：以碳化硅以及氮化鎵為代表，可應用在更高階的高壓功率元件以及高頻通訊元件領域，是5G時代的主要材料。

氮化鎵是一種無機物，化學式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙(direct bandgap)的半導體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導體泵浦固體激光器(Diode-pumped solid-state laser)的條件下，產生紫光(405nm)激光。2014年，日本名古屋大學和名城大學教授赤崎勇、名古屋大學教授天野浩和美國加州大學圣塔芭芭拉分校教授中村修二因發(fā)明藍光LED而獲得當年的諾貝爾物理獎。

GaN在1050℃開始分解：2GaN(s)=2Ga(g)+N2(g)。X射線衍射已經指出GaN晶體屬纖維鋅礦晶格類型的六方晶系。在氮氣或氦氣中當溫度為1000℃時GaN會慢慢揮發(fā)，證明GaN在較高的溫度下是穩(wěn)定的，在1130℃時它的蒸氣壓比從焓和熵計算得到的數值低，這是由于有多聚體分子(GaN)x的存在。GaN不被冷水或熱水，稀的或濃的鹽酸、硝酸和硫酸，或是冷的40%HF所分解。在冷的濃堿中也是穩(wěn)定的，但在加熱的情況下能溶于堿中。

氮化鎵功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市場主流的硅功率器件均有顯著數量級的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化鎵功率器件的開關頻率可以高出1000倍;能量損耗可以降低50%-90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系統(tǒng)成本可以大幅降低。

TrendForce 詳細介紹了作出此預測的原因。首先，新冠疫苗的問世有望緩解全球疫情，進而帶動工業(yè)能源轉換所需零組件如逆變器、變頻器等，以及通訊基站需求回穩(wěn)。其次，隨著特斯拉 Model 3 電動車逆變器逐漸采用 SiC 碳化硅器件，第三代半導體于車用市場逐漸備受重視。最后，中國政府為提升半導體自主化，今年提出十四五計劃投入巨額人民幣擴大產能，上述都將成為推升 2021 年 GaN 及 SiC 等第三代半導體高速成長的動能。

時下，多個廠商正在大量的生產GaN器件，這些GaN器件正在被應用于工業(yè)、商業(yè)甚至要求極為嚴格的汽車領域的電力和電機控制中。他們的接受度和可信度正在逐漸提高。(請注意，基于GaN的射頻功放或功放也取得了很大的成功，但與GaN器件具有不同的應用場合，超出了本文的范圍。)本文探討了GaN器件的潛力，GaN和MOSFET器件的不同，GaN驅動器件成功的關鍵并介紹了減小柵極驅動環(huán)耦合噪聲技術。

電源領域也是目前最大的應用市場，高壓和低壓氮化鎵功率器件為交流-直流(AC-DC)、隔離型直流(isolated DC-DC)、負載點(point of load)功能帶來附加值。

對于低壓氮化鎵功率器件，市場也相當有前途：隨著不同的無線充電標準發(fā)展，如Qi和AirFuel，氮化鎵電源多模器件可以方便地為系統(tǒng)集成商所用。

aN器件目前雖有部分晶圓制造代工廠如臺積電、世界先進等嘗試導入8英寸晶圓生產，但現(xiàn)行主力仍以6英寸為主。因疫情趨緩所帶動5G基站射頻前端、手機充電器及車用能源傳輸等需求逐步提升，預期2021年通訊及功率器件營收分別為6.8億和6,100萬美元，年增30.8%及90.6%。

與應用廣泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有更高的效率和更強的功耗處理能力。這些優(yōu)勢正是當下高功耗高密度系統(tǒng)、服務器和計算機所需要的，可以說專家所預測的拐點已經到來!對此，大家怎么看?