氮化鎵，分子式GaN，英文名稱Gallium nitride，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體。
GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料。
半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的“魔咒”下已經(jīng)狂奔了50多年，一路上挾風(fēng)帶雨的，好不風(fēng)光。不過隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限，摩爾定律對半導(dǎo)體行業(yè)的加速度已經(jīng)明顯放緩。
未來半導(dǎo)體技術(shù)的提升，除了進(jìn)一步榨取摩爾定律在制造工藝上最后一點(diǎn)“剩余價(jià)值”外，尋找硅（Si）以外新一代的半導(dǎo)體材料，也就成了一個(gè)重要方向。在這個(gè)過程中，氮化鎵（GaN）近年來作為一個(gè)高頻詞匯，進(jìn)入了人們的視野。
GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比，其在特性上優(yōu)勢突出。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利與提升器件整體的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。
因此，利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導(dǎo)體器件，這與半導(dǎo)體行業(yè)一貫的“調(diào)性”是吻合的。
與GaN相比，實(shí)際上同為第三代半導(dǎo)體材料的SiC的應(yīng)用研究起步更早，而之所以GaN近年來更為搶眼，主要的原因有兩點(diǎn)。
首先，GaN在降低成本方面顯示出了更強(qiáng)的潛力。目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件，以替代昂貴的SiC襯底。該技術(shù)對于供應(yīng)商來說是一個(gè)有吸引力的市場機(jī)會(huì)，它可以向它們的客戶提供目前半導(dǎo)體工藝材料可能無法企及的性能。
讓我們回顧下不同襯底風(fēng)格的GaN：硅基、碳化硅（SiC）襯底或者金剛石襯底。
硅基氮化嫁：這種方法比另外兩種良率都低，不過它的優(yōu)勢是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠。因此，它很快就會(huì)以價(jià)格為競爭優(yōu)勢對抗現(xiàn)有硅和砷化鎵技術(shù)，理所當(dāng)然會(huì)威脅它們根深蒂固的市場。
碳化硅襯底氮化鎵：這是射頻氮化鎵的“高端”版本，SiC襯底氮化鎵可以提供最高功率級別的氮化鎵產(chǎn)品，可提供其他出色特性，可確保其在最苛刻的環(huán)境下使用。
金剛石襯底氮化鎵：將這兩種東西結(jié)合在一起是很難的，但是好處也是巨大的：在世界上所有材料中工業(yè)金剛石的熱導(dǎo)率最高（因此最好能夠用來散熱）。使用金剛石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金剛石高導(dǎo)熱率優(yōu)勢發(fā)揮出來，可以實(shí)現(xiàn)非常接近芯片的有效導(dǎo)熱面。
其次，由于GaN器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。比如有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開關(guān)管的集成，進(jìn)一步降低用戶的使用門檻。
正是基于GaN的上述特性，越來越多的人看好其發(fā)展的后勢。特別是在幾個(gè)關(guān)鍵市場中，GaN都表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)臐B透力。
射頻（RF）領(lǐng)域?qū)⑹荊aN的主戰(zhàn)場。氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊式設(shè)計(jì)的進(jìn)步，使得微波頻率的高功率連續(xù)波(CW)和脈沖放大器成為可能。
2014年，美國雷神公司宣布其公司在下一代氮化鎵射頻半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域又取得一重大里程碑，研制出金剛石基GaN器件。金剛石做襯底材料，可將器件的熱傳導(dǎo)能力提升3～5倍，從而顯著減少雷達(dá)、電子戰(zhàn)裝置等國防系統(tǒng)的成本、尺寸、重量和功耗。金剛石基GaN器件可使晶體管功率密度比傳統(tǒng)SiC基GaN器件增加3倍，克服了阻礙氮化鎵器件發(fā)揮潛力的主要障礙。該數(shù)據(jù)由10×125微米金剛石基GaN高電子遷移率晶體管測得，HEMT是組成單片微波集成電路功率放大器的基本單元，是固態(tài)射頻發(fā)射器和有源電子掃描陣列的基礎(chǔ)。
接著2016年3月，科巴姆公司與RFHIC公司將聯(lián)合開發(fā)GaN大功率放大器模塊，用于175千瓦固態(tài)發(fā)射機(jī)原理樣機(jī)。美國與韓國開始正式合作將氮化鎵用于軍事雷達(dá)。有分析指出，與目前在RF領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的LDMOS器件相比，采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可高達(dá)其4倍，帶寬可增加20%，功率密度可達(dá)6-8W/mm（LDMOS為1~2W/mm），且無故障工作時(shí)間可達(dá)100萬小時(shí)，更耐用，綜合性能優(yōu)勢明顯。5G的商用無疑會(huì)是GaN在射頻市場發(fā)展的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。
根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Yole的預(yù)測，受5G網(wǎng)絡(luò)部署的拉動(dòng)，全球RF功率器件市場在2016年到2022年間將增長75%，年復(fù)合增長率達(dá)到9.8%；GaN將在未來5~10年成為3W以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)，而LDMOS的整體市場規(guī)模將下降到15%以下。
與此同時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在其他RF領(lǐng)域，也都會(huì)有GaN的身影，作為重要的升級換代技術(shù)，向原有的半導(dǎo)體器件發(fā)起挑戰(zhàn)，尤其在與砷化鎵的PK中顯示出絕對的3大物理特性優(yōu)勢：
氮化鎵器件提供的功率密度比砷化鎵器件高十倍：由于氮化鎵器件的功率密度較高，因此可以提供更大的帶寬、更高的放大器增益，并且由于器件尺寸的減少，還可提高效率。
氮化鎵場效應(yīng)管器件的工作電壓比同類砷化鎵器件高五倍：由于氮化鎵場效應(yīng)管器件可在更高電壓下工作，因此在窄帶放大器設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員
可以更加方便地實(shí)施阻抗匹配。
氮化鎵場效應(yīng)管器件提供的電流比砷化鎵場效應(yīng)管高二倍：由于氮化鎵場效應(yīng)管器件提供的電流比砷化鎵場效應(yīng)器件高二倍，因此氮化鎵場效應(yīng)器件的本征帶寬能力更高。
由于氮化鎵鎖定中低功率應(yīng)用，其應(yīng)用市場規(guī)模要大于中高功率，因此Yole預(yù)估，氮化鎵元件2015年～2021年的成長率將達(dá)83%，其中電源供應(yīng)器（Power Supply）將占相當(dāng)大的一部份，近六成左右，而碳化硅同期的成長則相對緩慢，成長率約在21%左右。
總結(jié)一下
氮化鎵南征北戰(zhàn)縱橫半導(dǎo)體市場多年，無論是吊打碳化硅，還是PK砷化鎵。氮化鎵憑借其禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，穩(wěn)穩(wěn)地占領(lǐng)了理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系，確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領(lǐng)先地位。