氮化鎵 (GaN) 市場可概略分為光電和功率兩大塊，現階段，在發光二極管 (LED)、射頻 (RF) 組件和無線充電較具優勢，作為功率轉換、模擬應用和 RF 能量位移 (displacement) 之用。氮化鎵在 LED 照明和顯示器等光電領域擁有高滲透率，但著眼于它能最小化功率損耗并具有小型化、高速開關和高擊穿電壓等特性，今后功率半導體的成長空間相對更大，初期鎖定＂低電壓之高端產品＂。隨著技術推進、工作電壓拉高，未來在新能源、智能電網、資通信設備和消費電子前景看悄，無線和自動化設備發展以及汽車 GaN LED 汰換潮，將成為推動氮化鎵的主力。
受限于成本、產量和可靠性問題，氮化鎵比碳化硅 (SiC) 起步晚，因具有更高的電子遷移率 (Electron Mobility)、屬高電子遷移率晶體管 (HEMT)，理論上能以高于 SiC 的速度進行切換、實現高速開關操作，確保電氣系統的高效率操作。功率器件中的高能效損失，主要由高器件電阻和開關轉換引起的傳導損耗所致；物理學家表示，如果將具有高擊穿電壓和低導通電阻的氮化鎵，推廣至所有電子設備，全球用電量可減少 10～25%！此外，GaN 的低導電性能以緊湊尺寸維持高能量應用，進一步實現電路小型化或在同一區域擠進更多的氮化鎵。
圖1：GaN 功率組件的應用拓展，將分兩路演進
資料來源：Yole Développement；https://www.systemplus.fr/would-apple-change-the-power-gan-world/
消費電子為主場，由分立器件＆功率模塊領軍
可惜，氮化鎵因導熱系數低，功率密度潛力有限 (碳化硅導熱率較佳，是硅的 3.5 倍以上)。在 SiC 忙著與絕緣閘雙極晶體管 (IGBT) 一較長短之際，GaN 與超接面 (SJ-MOSFET) 亦直接對陣——SiC 憑借高功率和高電壓搶食 IGBT 市場，GaN 則意欲瓜分較低功耗、更高容量和成本敏感的 MOSFET 地盤，分立器件及系統級封裝 (SiP) 供貨商包括：松下 (Panasonic)、GaN System、安森美 (ON)、宜普電源轉換 (EPC)、英飛凌 (Infineon)、Transphorm、艾斯剛 (Exagan) 和德州儀器 (TI) 等，＂片上系統＂的整合芯片以納微半導體 (Navitas) 和戴樂格 (Dialog) 為代表。
可惜，氮化鎵因導熱系數低，功率密度潛力有限 (碳化硅導熱率較佳，是硅的 3.5 倍以上)。在 SiC 忙著與絕緣閘雙極晶體管 (IGBT) 一較長短之際，GaN 與超接面 (SJ-MOSFET) 亦直接對陣——SiC 憑借高功率和高電壓搶食 IGBT 市場，GaN 則意欲瓜分較低功耗、更高容量和成本敏感的 MOSFET 地盤，分立器件及系統級封裝 (SiP) 供貨商包括：松下 (Panasonic)、GaN System、安森美 (ON)、宜普電源轉換 (EPC)、英飛凌 (Infineon)、Transphorm、艾斯剛 (Exagan) 和德州儀器 (TI) 等，＂片上系統＂的整合芯片以納微半導體 (Navitas) 和戴樂格 (Dialog) 為代表。
圖2：GaN 功率組件供貨商
資料來源：Yole Développement；https://www.systemplus.fr/would-apple-change-the-power-gan-world/
研調機構 HTF MI 統計，2017 年全球氮化鎵功率器件市值約 4.1 億美元，2025 年底將達 22.1 億美元，2018～2025 年復合成長率 (CAGR) 為23.5%。另一家 Transparency Market Research (TMR) 相對保守，估計 2017～2025 年將以 17.5% CAGR 擴張，2025 年市值將增至 14 億美元，但提及以下關鍵：1.分立器件、功率模塊將主導 GaN 功率器件市場，后者成長力道將以 19.5% 領先 SiC；2.消費電子為主場，其次依序是資通信、電信以及航天和國防；3.汽車行業將大幅增長，2017～2025 年 CAGR 達 20.5%，自駕車將增加對高頻、高效通信系統的需求。
自駕車在光達 (LiDAR) 使用增強型氮化鎵 (eGaN) 芯片以感知周圍環境，感測精度可以＂英寸＂計算，但硅芯片只能明確至 10 英尺以內。另一方面，汽車 AEC-Q101 對于功率 FET 的最高可靠性標準除了一般數據表，還須降低壓力測試期間的參數漂移。第一個引進 eGaN FET 的供貨商——EPC 公司，對此有深入研究，批量生產超過 9 年、其晶圓級芯片尺寸封裝 (WLCSP) 已通過傳統封裝零件的所有測試標準，有逾 3 萬個部件經過超過 18 個百萬小時壓力測試，證實無失效狀況。
圖3：EPC 的 eGaN 功率晶體管結構，非常近似于硅基 FET (場效晶體管)
資料來源：EPC 官網；https://epc-co.com/epc/FAQ/eGaNTechnology.aspx
可耐受 300℃ 高溫，航天、新能源是下個重點應用
特別一提的是，氮化鎵對離子輻射靈敏度低，極適合作為衛星的太陽能電池數組材料或應用于超聲波、核磁共振成像 (MRI) 和結腸鏡檢查等外科手術等醫療設備，在輻射環境相對穩定亦有利于航天和軍事。GaN 已被歐洲航天局 (ESA) 認定為＂關鍵使能技術＂，并為促進技術創新設立 GREAT2 項目 (GaN 可靠性增強和技術轉讓)；美國宇航局 (NASA) HOTTech 計劃 (the Hot Operating Temperature Technology Program)，亦資助氮化鎵研究以支持水星和金星的探索。
特別一提的是，氮化鎵對離子輻射靈敏度低，極適合作為衛星的太陽能電池數組材料或應用于超聲波、核磁共振成像 (MRI) 和結腸鏡檢查等外科手術等醫療設備，在輻射環境相對穩定亦有利于航天和軍事。GaN 已被歐洲航天局 (ESA) 認定為＂關鍵使能技術＂，并為促進技術創新設立 GREAT2 項目 (GaN 可靠性增強和技術轉讓)；美國宇航局 (NASA) HOTTech 計劃 (the Hot Operating Temperature Technology Program)，亦資助氮化鎵研究以支持水星和金星的探索。
傳統硅的能隙僅為 1.12 eV，意味著只要稍微升溫，電子就很容易被激發并從＂價帶＂轉變為＂導帶＂。如此一來，就無法控制載波，進而導致設備故障——水星白天溫度可達 430℃，離太陽更近且富含二氧化碳的金星表面溫度更上看 462℃；相較之下，氮化鎵的能隙為 3.4 eV，可允許設備耐受更高的溫度，特別適用于航天宇宙探索的傳感器和電子儀器。HOTTech 計劃研究人員表示，制程中的蝕刻和再生長是設備性能的關鍵。透過化學氣相沉積 (CVD) 在氮化鎵基板上制造內存，在沉積幾層氮化鎵之后，用電漿蝕刻掉部分區域再重新生長。
如此可產生一個存在氮原子空位的接口層，由氮空位負責擷取和釋放電子，進而在器件中產生高、低阻態 (或 0、1 狀態)。目前氮化鎵可穩定在 0、1 之間切換的安全極限溫度是 300℃，可重復循環 1,000 次；一旦高于 350℃，設備就會失去記憶效應。神奇的是，只要恢復到室溫，設備就會起死回生，對多數工業應用相當具有競爭力；但要應對水星和金星環境，還必須往 500℃上限努力。
微波／毫米波高頻通信，基板制程推陳出新
5G 時代，RF 組件的收、發基本上皆屬高頻信號，主要采用化合物半導體組件；其中，在 3.5GHz 和 4.5GHz 確定用氮化鎵技術，中國大陸的華為和中興已開始在基地臺采用 GaN。相較于砷化鎵 (GaAs)，氮化鎵可耐受更高的工作溫度和電壓，更適合作為微波 RF 的功率放大器，能在 10GHz 以上提供數十到數百瓦的功率，可望成為主流。Future Market Insights 預估 2018～2023 年 RF 功率半導體 CAGR 為 12.7%；惟氮化鎵材料和制程屬高資本密集且集成系統成本高，加上砷化鎵已搶先卡位毫米波集成電路 (MMIC) 和低噪聲放大器 (LNA)，是氮化鎵市場增長的最大阻礙。
5G 時代，RF 組件的收、發基本上皆屬高頻信號，主要采用化合物半導體組件；其中，在 3.5GHz 和 4.5GHz 確定用氮化鎵技術，中國大陸的華為和中興已開始在基地臺采用 GaN。相較于砷化鎵 (GaAs)，氮化鎵可耐受更高的工作溫度和電壓，更適合作為微波 RF 的功率放大器，能在 10GHz 以上提供數十到數百瓦的功率，可望成為主流。Future Market Insights 預估 2018～2023 年 RF 功率半導體 CAGR 為 12.7%；惟氮化鎵材料和制程屬高資本密集且集成系統成本高，加上砷化鎵已搶先卡位毫米波集成電路 (MMIC) 和低噪聲放大器 (LNA)，是氮化鎵市場增長的最大阻礙。
基板制程亦影響甚巨。TDI、Kyma、先進科材 (ATMI)、Cree、CPI 等公司已實現氮化鎵單晶基板的商品化，以 6 吋為主流——藍寶石基 GaN 技術最成熟；硅基 GaN (GaN-on-Si) 可實現高集成性和低成本，下一步擬往大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐基板材料進化。鉆石基板 (GaN-on-diamond) 則是最新研究方向，可透過更小的電子組件提高功率和效率，較 GaN-on-SiC 晶體器件實現超過兩倍的功率密度區域。在給定功率下，GaN-on-diamond 基板和閘極結之間的熱阻可較 GaN-on-SiC 器件減少約 50%。
作為 RF 功率放大器使用，可降低電信基地臺、衛星設備和雷達感測儀器的熱耗并提高壽命，亦可用于混合動力車／電動車 (HEV/EV) 轉換器和逆變器 (Inverter)。Akash Systems 公司是專利領先廠商，另韓國 RFHIC 公司向戴比爾斯 (De Beers) 集團的成員公司 Element Element 收購 GaN-on-diamond 技術。再者，半導體線徑微縮亦恐成為限制 GaN 功率器件市場增長的關鍵因素——GaN 器件高電流密度擴大，使組裝和互連技術面臨挑戰；因考慮到塑料封裝具有固有的限速引線電感，恐有損性能，故 GaN 多采表面貼裝 (SMT) 或 WLCSP。
＂氧化鎵＂(Ga2O3) 將啟動新一輪競合？
當人們還在掙扎什么情境下值得采用 GaN？新的強勁對手似乎已悄然出現。美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 拋出一個震撼彈：未來＂氧化鎵＂(三氧化二鎵，Ga2O3) 的成本可能更低！研究結果顯示，考慮諸如晶體生長和晶錠加工之類的因素，氧化鎵晶圓的制造成本比 SiC 便宜 3～5 倍，且晶圓尺寸較 GaN 更容易擴大，可能為現有的硅、碳化硅和氮化鎵技術提供互補，應用在 AC-DC 轉換等低頻、高壓應用。氧化鎵的電子遷移率約 4.8eV，比 SiC 和 GaN 都高，允許在擊穿發生之前處理更高的電壓和功率密度，據悉擊穿電壓已達 3kV。
當人們還在掙扎什么情境下值得采用 GaN？新的強勁對手似乎已悄然出現。美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 拋出一個震撼彈：未來＂氧化鎵＂(三氧化二鎵，Ga2O3) 的成本可能更低！研究結果顯示，考慮諸如晶體生長和晶錠加工之類的因素，氧化鎵晶圓的制造成本比 SiC 便宜 3～5 倍，且晶圓尺寸較 GaN 更容易擴大，可能為現有的硅、碳化硅和氮化鎵技術提供互補，應用在 AC-DC 轉換等低頻、高壓應用。氧化鎵的電子遷移率約 4.8eV，比 SiC 和 GaN 都高，允許在擊穿發生之前處理更高的電壓和功率密度，據悉擊穿電壓已達 3kV。
氧化鎵的臨界場強度是碳化硅、氮化鎵的兩倍多，更是硅的 20 倍以上；而能以相對低的商業成本獲得天然基板材料，是它的另一個吸睛之處——硅熔體的晶體生長，可為主流電子產品提供高質量基板；須留意的是，其導熱率只有 10～30W / m-K，遠遜于碳化硅的 330W / m-K 和氮化鎵的 130W / m-K，恐須藉由將器件層轉移到另一個熱傳導更佳的基板以散熱，或使用風扇／液體流動的主動冷卻。不過，氧化鎵仍處于原型階段，離商用化還有好長一段路，單極 FET 將是下個目標。因應工作電壓與臨界電場強度極限，寬能隙材料正開啟屬于它的時代。
