随着科技的飞速进步，尤其是在人工智能、高频通讯、物联网以及新能源汽车等前沿领域的蓬勃发展，对半导体材料性能的要求日益提升。传统的第一代半导体材料，如锗(Ge)和硅(Si)，自上世纪中叶以来，在集成电路、微处理器、存储器等电子器件中扮演了核心角色，极大地推动了信息技术的革命。然而，随着技术边界的不断拓展，这些材料逐渐暴露出其物理性能上的局限性，特别是在处理速度、能效比、耐高温高压能力以及高频信号传输等方面，已逐渐接近其理论上的物理极限。在此背景下，全球半导体行业开始积极探索并寻找能够突破这些限制的新材料，以期在下一代电子设备和系统中实现更高的性能、更低的功耗和更广泛的应用场景。氮化镓（GaN），作为第三代半导体材料的杰出代表，正是在这一浪潮中脱颖而出，成为了业界关注的焦点。

GaN为何脱颖而出？

GaN属于Ⅲ-Ⅴ族化合物，拥有直接带隙半导体材料的特性。按照化学键的类型不同，GaN晶体结构可分为六方纤锌矿和立方闪锌矿结构。在化合物中，主要存在离子键和共价键两种化学键，离子键含量越多，越容易形成纤锌矿结构。由于Ga和N存在较大的电负性差异，更容易形成离子键。因此在常温状态下，GaN往往呈现六方纤锌矿结构，这不仅赋予它热稳定性高、耐腐蚀的特性，还使得其在生长过程中有很高的优选性，有利于形成低缺陷密度的单晶层。而相比第一二代半导体，GaN是一种具有宽带隙的半导体，其带隙宽度为3.4 eV，几乎是Si的三倍，需要更高的能量将价电子激发到导带中，这意味着在光电子器件中，GaN可以发射和吸收较高能量的光。除此之外，其导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，不易产生谷间散射，能得到很高的强场漂移速度。因此，GaN器件可以承受更大的电场强度，具有良好的热稳定性，在高电压、高电流、高频率、高温场景下都能保持优异的性能。

GaN的应用价值

1、电子设备领域

① 射频应用

与Si、GaAS相比，GaN器件在高功率、高频率和宽带应用中具有明显优势，迄今为止100 GHz范围内最为理想的微波功率器件，因此其在射频（RF）应用中发挥着重要作用，尤其在无线通信、雷达和电子战等领域。比如在无线通信领域，传统的硅基射频功率放大器在高频率和高功率应用中存在功率损耗大、效率低等问题，已无法满足需求5G和6G等新一代无线通信技术的要求，而若采用GaN在RF前端模块中替代硅半导体，可显著提高无线通信的速率和容量。

② 功率器件

基于Si材料的电子器件性能目前逐渐趋于极限，迫切需要更优异的电子器件，GaN晶体管凭借较好的介电常数、优异的电子迁移率、高的临界电场、耐高温的优点，开始成为Si功率器件的潜在替代品。随着GaN工艺技术的成熟，许多企业纷纷将它应用于功率电子变流器中，例如充电器和转换器，与传统的硅器件相比，GaN器件可以实现更紧凑的设计和更高的功率密度，这对于电动汽车来说意味着更轻量化的动力系统和更高的能效，并且GaN的高热导率有助于充电器内部热量快速散出，降低工作温度，提高设备稳定性与使用寿命。除了在动力系统中的应用，GaN在汽车激光雷达领域也展现出巨大的潜力。与早期激光雷达产品相比，GaN器件的开关速度大幅提升，脉冲宽度缩小至原来的1/5。采用窄脉冲、大峰值电流、高功率的GaN可以为激光雷达提供更优越的性能支持。

2、光电子器件领域

GaN在光电子器件领域的应用中，特别是在蓝绿光领域，展现出了卓越的性能和广泛的应用前景。首先GaN因其能隙较宽（约3.4eV）和直接带隙的特性，使得它在制造蓝绿光激光方面具有显著优势。

① 激光照明与显示

其高功率、高光效和长寿命特性使其成为高效、可靠的光源，不仅提升了照明质量，还推动了激光显示技术的发展，实现了高清晰度、全色激光显示。目前，GaN光电器件产品主要包括Mini-LED和Micro-LED。与传统LED相比，Micro-LED芯片量级更小，而且还具有自发光、低功耗、高亮度、超高分辨率、高色彩饱和度的优点，高清显示性能更好，可以应用于超大屏高清智能电视、消费电子显示屏，以及手机、电脑等消费电子背光应用，VR/AR等多个领域。

② 在自动驾驶与机器人导航领域

GaN蓝绿激光器作为激光雷达的核心部件，通过发射高精度蓝绿色激光脉冲，实现对周围环境的精确探测与定位，为自动驾驶汽车的避障、路径规划及机器人的自主导航提供了重要支持。

③ 光信息存储及其他领域

其高功率和稳定性促进了高密度光盘和高容量全息存储系统的发展，提升了数据存储的密度和速度。同时，该激光器在生物医学和水下通信等领域也展现出应用潜力，如用于激光医疗、生物成像及水下数据传输等，为这些领域的技术进步和创新提供了有力支持。

3、能源与交通领域

① 电池领域

在固态电池领域，GaN作为电极材料，可以提高固态电池的充放电效率。由于其优良的电导性和电子迁移率，GaN可以促进电子在电池内的快速移动，从而加快充电速度并提高放电效率。此外，由于GaN具有高能量密度的特性，它可以帮助减少固态电池的体积和重量。这对于需要轻便电源的应用领域优势显著，如便携式电子产品和无人机。

② 电源领域

在双碳要求下，新能源如风能、光伏等应用成为绿色发展的关键，但由于自然资源的不确定性，在新能源的存储和利用过程中，需要储能系统进行波峰和波谷的调配，从而改善系统波动性和不确定性。GaN作为半导体领域的明星材料，具备更高频率、更低损耗的优势，能够更好地提升转换效率和能源利用效率，在储能领域扮演着越来越重要的角色。其中，太阳能微型逆变器也是GaN高压大功率应用的一个目标市场。在分布式电网装置中，为每个独立的太阳能电池板配置一个微型逆变器，然后在为房屋供电或为电网供电之前再将交流电“组合”起来，已经成为了未来的技术趋势。GaN器件带来的小型化和经济性，恰好能够满足这一新的设计需求。在户外电源应用中，与传统户外电源相比，GaN户外电源可以在提高户外电源的寿命和可靠性的同时，降低电源体积，方便携带。

4、数据中心

数据中心、人形机器人等领域，正为近年来显得发展缓慢的GaN市场打开更多增长空间。据数据显示，2023年数据中心的耗电量达到500 TWhr，相当于全球能耗的2%，而这个数字还在不断攀升，预计到2030年数据中心的耗电量将占到全球能耗的7%。因此，依靠当前数据中心所采用的电力转换及分配技术，已难以满足来自云计算及机器学习的运算需求，面对更庞大能源的生成式AI应用，数据中心运营商正急迫地寻找创新电力解决方案。近年来，快速发展的GaN功率半导体已经成为数据中心优化能源效率的关键技术之一，吸引了大批GaN玩家加入布局阵列。GaN器件为电源设备带来更高的效率水准，效率提高代表能源损耗减少，设备也能减少过热情形。此外，由于传统的硅基电源管理系统效率较低，往往需要大量的冷却设备来保持系统的稳定运行，这就进一步推高了数据中心的运营成本。而GaN功率元件则通过其高效能和低损耗的特性，大大降低了电源管理系统的能耗，同时减少了冷却设备的需求，从而实现了双重节能。

综上所述，综上所述，GaN技术在电子设备、光电子器件、能源、通信和国防等多个领域具有广泛的应用价值。随着技术的不断成熟和应用领域的不断拓展，GaN的市场规模正呈现出爆发式增长态势，未来有望为多个行业带来革命性的变化。

来源：半导体行业观察、粉体圈

免责声明：本文通过参考公众媒体内容，整理、翻译、编辑而成，仅供读者参考。文中的观点和内容不具有任何指导作用，对读者不构成任何项目建议或承诺！如果本文不慎侵犯您的权益，请与我们联系，我们将及时处理。