一文看懂GaN在射频和电子中的应用

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由于2 月13 日小米在新品发表会中，除了推出小米10 系列外，更宣布采用氮化镓(GaN) 作为原料的充电器，一时间原本GaN 在射频领域热烧的话题，快速延烧至电池产业。

GaN 是极为稳定的化合物，又是坚硬和熔点高的材料，其熔点为高达1700℃。同时，GaN 有较高的电子密度和电子速度，其高电离度，也是在三五族化合物中最高的，因此受到高频、高功率类别电子产品的青睐。

资料来源: Qorvo

GaN 目前主要的应用就在微波射频、电力两大领域。具体而言，微波射频包含5G 通讯、雷达预警、卫星通讯等应用；电力则包含智慧电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等。

射频领域

GaN 的射频零组件具有高频、高功率、较宽频宽、低功耗、小尺寸的特点，能有效在5G 世代中节省PCB 的空间，特别是手机内部空间上，且能达到良好的功耗控制。

在5G产品中，GaN主要应用在Sub-6GHz基地台和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole预估GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元成长2024年的20亿美元，CAGR达21%，这主要受电信基础设施及国防两大领域所推动，而卫星通信、有线宽频和射频也有一定的贡献。

资料来源: Yole

在要求高频高功率输出的卫星通讯中，市场预估GaN 将逐渐取代GaAs 成为新的解决方案。而在有线电视和民用雷达市场与LDMOS 或GaAs 材料相比，GaN 的成本仍高，短期内大量取代的情况不易见。

在GaN 射频领域主要由美、日两国企业主导，其中，以美商Cree 居首，住友电工、东芝、富士通等日商紧追在后，中国厂如三安光电、海特高新、华进创威在此领域虽有着墨，但与国际大厂相比技术差距大。

电力

在600 伏特左右电压下，GaN 在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的优势，这使GaN 材料的电源产品可更为轻薄、高效率，且GaN 充电插头体积小、功率高、支援PD 协定，有机会在未来统一NB 和手机的充电器市场。

27w GaN 充电插头(左) VS Apple 30W 充电插头(右)(图片: 充电头网)

因为材料特性的差异，硅在高于1200V 的高电压、大功率具有优势，而GaN 制的产品更适合40～1200V 的应用，特别是在600V/3KW 能发挥最大优势。因此，在服务器、马达驱动、UPS 等领域，GaN 可以挑战传统MOSFET 或IGBT 的地位。

资料来源: Infi neo n

Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元，CAGR达85%，当中，GaN快充是推动产业高成长的主要力量。此外，GaN还有望渗透进入汽车及工业和电信电源应用中。

从生产端来看，GaN 功率半导体已开始少量出货，但由于其价格过于昂贵，是影响现阶段发展受限的主要因素。价格不亲民是因为目前GaN 制芯片仍以6 吋及以下的晶圆厂生产为主，尚未显现规模效应，若未来成本能再大幅下降，市场需求就会爆发。

在GaN功率领域中，市场主要由Infi neo n、EPC、GaN Systems、Transphorm，及Navitas等公司主导，其产品是由TSMC，Episil、X-FAB进行代工。中国新兴代工厂中，三安光电和海特高新具有量产GaN功率零组件的能力。

虽然GaN 有着许多优势，但因为产品价格偏高，这是现在消费性电子产品未大量采用的主因。反而在卫星、军事这类对价格敏感度低的产业，GaN 零组件对其有极大的吸引力。

不过，从意法半导体与台积电之间的合作可以看出，在5G 世代中，GaN 已经是不可缺少的重要原料，特别是在车电领域(与手机等消费性电子相比，价格敏感度低)，将是国际大厂抢进重点领域之一。

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