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本文主要介绍对象是氮化镓（GaN）。氮化镓（GaN）是一种由氮和铝组成的Ⅲ-Ⅴ族化合物，拥有直接带隙半导体材料的特性，这使得它在光电和热电领域有着巨大的应用潜力。近年来，随着科技的不断进步，氮化镓已经在多个领域取得了显著的成功应用。笔者将从氮化镓的基本特性、性能、分类以及应用领域进行介绍，让大家对氮化镓（GaN）有一个感性的认识；之后，笔者将结合自身专业的角度，来谈研发工程师在氮化镓（GaN）选型方面时应该重点关注的参数；最后，笔者将介绍我司代理的GaN国产品牌—英诺赛科（Innoscience）的优势。氮化镓（GaN）的晶体结构为六方晶系，与石墨相似，具有层状结构。它的禁带宽度为3.4eV，大于GaAs（1.424eV）和SiC（3.3eV），这使得GaN具有更高的击穿电压和热稳定性。此外，GaN的导热性差，但它的热稳定性非常好，可以在高温下保持其电学性能。禁带宽度（Band gap）是指一个带隙宽度，单位是电子伏特（eV），用于描述半导体的能带结构。在固体中，电子的能量是不连续的，这些能量不同的电子的能带间存在一个最小能量差，称为禁带宽度。如果想要导电，就要有自由电子或者空穴存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电），而自由空穴存在的能带称为价带（亦能导电）。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。即：其中，“能隙”是指电子游离原子核轨道，并且能够在固体内自由移动所需的能量。能隙的概念主要用于解释半导体的性质，因为在半导体中，价带和传导带之间的禁带宽度（即能隙）会直接影响到半导体材料的导电能力。因此，半导体材料可大致从“能隙”来区分。第一代至第四代半导体材料主要包括以下几种：第一代半导体材料主要是元素半导体，如硅（Si）的能隙1.12eV、锗（Ge）的能隙0.66eV等。这些材料在半导体器件和集成电路中得到了广泛应用，是当前最主流的半导体材料。第二代半导体材料主要是化合物半导体，如砷化镓（GaAs）的能隙为1.424eV、磷化铟（InP）等。这些材料在高频、高速器件中有着显著的优势，被广泛应用于光电子和微波器件。第三代半导体材料主要是宽禁带半导体，如氮化镓（GaN）的能隙3.4eV、碳化硅（SiC）能隙为3.3eV等。这些材料具有高热稳定性、高击穿场强、高电子迁移率等优点，被广泛应用于高压、高温、高功率器件。能隙在2.2eV以上。第四代半导体材料主要包括氧化锌（ZnO）、金刚石等。这些材料具有非常宽的禁带宽度和高的热导率，被广泛应用于高压、高温、高功率器件。能隙在3.5eV以上。总之，各代半导体材料的本质区别在于其禁带宽度、导电类型、热稳定性、化学稳定性等物理性质。这些性质决定了不同种类的半导体材料在电子器件和集成电路中的应用范围和性能表现。大禁带宽度：氮化镓的禁带宽度为3.4eV，比GaAs和Si的禁带宽度更宽，具有更高的击穿电压和热稳定性，使得氮化镓在高温、高频、高功率电子器件中具有更好的性能。高电子迁移率：氮化镓的电子迁移率高达2000cm²/Vs，比GaAs和Si的电子迁移率更高，使得氮化镓在高频器件中具有更高的电子速度和更低的导通损耗。高热导率：氮化镓具有高热导率，能够快速地散发热量，使得器件具有更好的热稳定性。直接带隙宽：氮化镓具有直接带隙宽，能够发射出高亮度的蓝光和绿光，是制造LED和激光器等光电元件的理想材料。化学稳定性好：氮化镓在高温、高压、高功率条件下具有良好的化学稳定性，能够抵抗化学腐蚀和辐射损伤。抗辐射能力强：氮化镓具有强的抗辐射能力，能够在高剂量辐射环境下保持稳定性能，适用于军事和航天领域。氮化镓（GaN）可以根据其衬底材料的不同进行分类，有硅基氮化镓（Si-based GaN）、碳化硅基氮化镓（SiC-based GaN）、蓝宝石基氮化镓（ Sapphire-based GaN）和氧化锌基氮化镓（ZnO-based GaN）。当前，GaN主要以硅基氮化镓（Si-based GaN）、碳化硅基氮化镓（SiC-based GaN）为主。前者用来做功率器件，后者用来做射频放大器。SiC基氮化镓用来代替砷化镓（GaAs）。氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料，具有优良的电学和光学性质，因此被广泛应用于以下领域：发光二极管（LED）：氮化镓是LED的主要材料之一，可用于制造蓝、绿、白光LED，广泛应用于照明、显示等领域。激光器：氮化镓可制成激光器器件，用于通信、材料加工等领域。无线通讯：氮化镓的高频特性使其成为高速无线通讯的理想材料。氮化镓快充：具有大功率、超级快充、轻巧便捷（体积小）优势，支持手机、平板、PC电脑、蓝牙耳机、手表手环等设备充电。工业领域：氮化镓特别适合软开关，尤其是LLC拓扑结构的应用。同时氮化镓是横向器件，更适合中小功率的应用，用于900V以下的领域。氮化镓功率器件常用数据中心、通讯基站等设备，实现设备运作需要电流快速转换。氮化镓射频器件在5G基站的应用更广泛，对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进。汽车领域：碳化硅和氮化镓能同时应用于汽车产业，碳化硅在车载领域的可靠性上更具优势。但众多厂商在汽车领域已经全面布局All GaN（全氮化镓电控系统）方案。许多功率GaN厂商开发了经车规认证的650V GaN器件，可用于车载充电器（OBC）和EV/HEV的DC/DC转换，并与众多汽车制造商建立了合作伙伴关系。总之，氮化镓在LED、激光器、太阳能电池、无线通讯、快充、工业和汽车等领域都有广泛的应用。在选择氮化镓（GaN）MOS FET时，应重点关注以下参数：1.阈值电压VGS（th）：阈值电压是指使MOS FET导通的最低电压，它直接决定了器件的开关特性。通常情况下，阈值电压越低，导通电阻越小，但导通电流也相应减小。2.导通电阻RDS（on）：导通电阻是指MOS FET导通时的电阻，它直接决定了器件的导通损耗。导通电阻越小，导通损耗也越小。3. 最大电压VDSmax：最大电压是指MOS FET能够承受的最大反向电压，它直接决定了器件的耐压能力。最大电压越高，耐压能力也越强。但一般选用时，要留有0.8倍的裕量。如VDS=650V，那么最大电压尽量不要超过650x0.8=520V。4. 最大电流IDSmax：最大电流是指MOS FET能够承受的最大正向电流，它直接决定了器件的负载能力。最大电流越大，负载能力也越强。实际使用时，该参数同样要打0.8折扣。5.开关频率FR：在开关电源、快充等领域，氮化镓（GaN）的高开关频率可以减小变压器和电容的体积，有助于减小整个电源系统的体积和重量。此外，高开关频率还可以提高电源的功率密度和效率。但是，开关频率越高，开关损耗和热损耗也会相应增加。因此，在选择氮化镓器件时，需要根据具体的应用需求来权衡开关频率和功耗、热损耗等之间的平衡。6.成本：虽然GaN晶体管具有许多优点，但其成本仍然较高。在选择GaN晶体管时，需要权衡其高成本与高性能带来的优势。综上所述，在选择GaN时，应重点考虑电压和电流容量、导通损耗、开关速度、热性能、可靠性和稳定性以及成本等因素。这些参数将直接影响电源的性能、效率和可靠性。 
截至2023年8月，英诺赛科氮化镓芯片出货量成功突破3亿颗！英诺赛科是全球领先的第三代半导体高新技术企业，致力于硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 的研发与制造。拥有全球最大规模的8英寸硅基氮化镓晶圆生产基地，当前产能15000片/月，产品设计及性能处于国际先进水平。英诺赛科提供从30V-700V的高、中、低压全功率氮化镓产品，涵盖晶圆、分立器件、合封芯片三大品类，并为客户提供全氮化镓方案设计参考。目前，我司代理的英诺赛科GaN产品已经导入客户的评测、设计验证及量产阶段。倘若需要了解更多英诺赛科的GaN信息，请与我联系。Wu, Y., et al. (2017). "GaN: The Next Semiconductor Material for Clean and Renewable Energy." Materials Today 20: 182-197. Chen, Z., et al. (2018). "Recent Advances in III-Nitride Semiconductor Heterostructure Devices." Small 14(34): e1800176. Fregonese, L., et al. (2019). "GaN-Based Light-Emitting Diodes: Materials, Properties, and Applications." Materials 12(7): 1192. Design and Characterization of GaN Power Devices for High Frequency Amplification and Switching Applications, by P. Elks, et al., Springer, 2018. A Comprehensive Study of GaN Power FETs for Efficient Power Conversion, By Ali Niknejad, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 33, No. 6, 2018. Design and Characterization of GaN-Based Power Devices for Efficient Power Conversion, By M. Rafique, A. Moeed, and M. A. Islam, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 34, No. 4, 2019.
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