关于5G应用的关键材料

承上启下的宽禁带半导体材料

GaN 材料与 Si/SiC 相比有独特优势。GaN 与 SiC 同属于第三代宽禁带 半导体材料，相较于已经发展十多年的 SiC，GaN 功率器件是后进者， 它拥有类似 SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。 与传统 Si 材料相比，基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率密 度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。

GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为 1700℃， GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或 0.43）。 在大气压力下，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。

GaN 器件逐步步入成熟阶段。基于 GaN 的 LED 自上世纪 90 年代开始大放异彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世纪初以来，GaN 功率器件已 经逐步商业化。2010 年，第一个 GaN 功率器件由 IR 投入市场，2014 年以后，600V GaN HEMT 已经成为 GaN 器件主流。2014 年，行业首 次在 8 英寸 SiC 上生长 GaN 器件。

随着成本降低，GaN 市场空间持续放大。GaN 与 SiC、Si 材料各有其 优势领域，但是也有重叠的地方。GaN 材料电子饱和漂移速率最高，适 合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如 SiC；随着成本的下降， GaN 有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET 等硅基功率器 件。以电压来分，0~300V 是 Si 材料占据优势，600V 以上是 SiC 占据 优势，300V~600V 之间则是 GaN 材料的优势领域。根据 Yole 估计，在 0~900V 的低压市场，GaN 都有较大的应用潜力，这一块占据整个功率 市场约 68%的比重，按照整体市场 154 亿元来看，GaN 潜在市场超 过 100 亿美元。

GaN 是 5G 应用的关键技术。5G 将带来半导体材料革命性的变化，随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件，GaN 的优势将逐步凸显，这正是前一节讨论的地方。正是这一优势，使得 GaN 成为 5G 的关键技术。

在 Massive MIMO 应用中，基站收发信机上使用大数量（如 32/64 等） 的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此器件的数量将大为增加，使得 器件的尺寸大小很关键，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特 点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。除了基站射频收 发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会 大为增加，因此相比 3G、4G 时代，5G 时代的射频器件将会以几十倍、 甚至上百倍的数量增加。在 5G 毫米波应用上，GaN 的高功率密度特性 在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体，方案的尺寸。

审核编辑：汤梓红