氮化镓 (GaN) 市场可概略分为光电和功率两大块，现阶段，在发光二极管 (LED)、射频 (RF) 组件和无线充电较具优势，作为功率转换、模拟应用和 RF 能量位移 (displacement) 之用。氮化镓在 LED 照明和显示器等光电领域拥有高渗透率，但着眼于它能最小化功率损耗并具有小型化、高速开关和高击穿电压等特性，今后功率半导体的成长空间相对更大，初期锁定＂低电压之高端产品＂。随着技术推进、工作电压拉高，未来在新能源、智能电网、资通信设备和消费电子前景看悄，无线和自动化设备发展以及汽车 GaN LED 汰换潮，将成为推动氮化镓的主力。
受限于成本、产量和可靠性问题，氮化镓比碳化硅 (SiC) 起步晚，因具有更高的电子迁移率 (Electron Mobility)、属高电子迁移率晶体管 (HEMT)，理论上能以高于 SiC 的速度进行切换、实现高速开关操作，确保电气系统的高效率操作。功率器件中的高能效损失，主要由高器件电阻和开关转换引起的传导损耗所致；物理学家表示，如果将具有高击穿电压和低导通电阻的氮化镓，推广至所有电子设备，全球用电量可减少 10～25%！此外，GaN 的低导电性能以紧凑尺寸维持高能量应用，进一步实现电路小型化或在同一区域挤进更多的氮化镓。
图1：GaN 功率组件的应用拓展，将分两路演进
资料来源：Yole Développement；https://www.systemplus.fr/would-apple-change-the-power-gan-world/
消费电子为主场，由分立器件＆功率模块领军
可惜，氮化镓因导热系数低，功率密度潜力有限 (碳化硅导热率较佳，是硅的 3.5 倍以上)。在 SiC 忙着与绝缘闸双极晶体管 (IGBT) 一较长短之际，GaN 与超接面 (SJ-MOSFET) 亦直接对阵——SiC 凭借高功率和高电压抢食 IGBT 市场，GaN 则意欲瓜分较低功耗、更高容量和成本敏感的 MOSFET 地盘，分立器件及系统级封装 (SiP) 供货商包括：松下 (Panasonic)、GaN System、安森美 (ON)、宜普电源转换 (EPC)、英飞凌 (Infineon)、Transphorm、艾斯刚 (Exagan) 和德州仪器 (TI) 等，＂片上系统＂的整合芯片以纳微半导体 (Navitas) 和戴乐格 (Dialog) 为代表。
可惜，氮化镓因导热系数低，功率密度潜力有限 (碳化硅导热率较佳，是硅的 3.5 倍以上)。在 SiC 忙着与绝缘闸双极晶体管 (IGBT) 一较长短之际，GaN 与超接面 (SJ-MOSFET) 亦直接对阵——SiC 凭借高功率和高电压抢食 IGBT 市场，GaN 则意欲瓜分较低功耗、更高容量和成本敏感的 MOSFET 地盘，分立器件及系统级封装 (SiP) 供货商包括：松下 (Panasonic)、GaN System、安森美 (ON)、宜普电源转换 (EPC)、英飞凌 (Infineon)、Transphorm、艾斯刚 (Exagan) 和德州仪器 (TI) 等，＂片上系统＂的整合芯片以纳微半导体 (Navitas) 和戴乐格 (Dialog) 为代表。
图2：GaN 功率组件供货商
资料来源：Yole Développement；https://www.systemplus.fr/would-apple-change-the-power-gan-world/
研调机构 HTF MI 统计，2017 年全球氮化镓功率器件市值约 4.1 亿美元，2025 年底将达 22.1 亿美元，2018～2025 年复合成长率 (CAGR) 为23.5%。另一家 Transparency Market Research (TMR) 相对保守，估计 2017～2025 年将以 17.5% CAGR 扩张，2025 年市值将增至 14 亿美元，但提及以下关键：1.分立器件、功率模块将主导 GaN 功率器件市场，后者成长力道将以 19.5% 领先 SiC；2.消费电子为主场，其次依序是资通信、电信以及航天和国防；3.汽车行业将大幅增长，2017～2025 年 CAGR 达 20.5%，自驾车将增加对高频、高效通信系统的需求。
自驾车在光达 (LiDAR) 使用增强型氮化镓 (eGaN) 芯片以感知周围环境，感测精度可以＂英寸＂计算，但硅芯片只能明确至 10 英尺以内。另一方面，汽车 AEC-Q101 对于功率 FET 的最高可靠性标准除了一般数据表，还须降低压力测试期间的参数漂移。第一个引进 eGaN FET 的供货商——EPC 公司，对此有深入研究，批量生产超过 9 年、其晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP) 已通过传统封装零件的所有测试标准，有逾 3 万个部件经过超过 18 个百万小时压力测试，证实无失效状况。
图3：EPC 的 eGaN 功率晶体管结构，非常近似于硅基 FET (场效晶体管)
资料来源：EPC 官网；https://epc-co.com/epc/FAQ/eGaNTechnology.aspx
可耐受 300℃ 高温，航天、新能源是下个重点应用
特别一提的是，氮化镓对离子辐射灵敏度低，极适合作为卫星的太阳能电池数组材料或应用于超声波、核磁共振成像 (MRI) 和结肠镜检查等外科手术等医疗设备，在辐射环境相对稳定亦有利于航天和军事。GaN 已被欧洲航天局 (ESA) 认定为＂关键使能技术＂，并为促进技术创新设立 GREAT2 项目 (GaN 可靠性增强和技术转让)；美国宇航局 (NASA) HOTTech 计划 (the Hot Operating Temperature Technology Program)，亦资助氮化镓研究以支持水星和金星的探索。
特别一提的是，氮化镓对离子辐射灵敏度低，极适合作为卫星的太阳能电池数组材料或应用于超声波、核磁共振成像 (MRI) 和结肠镜检查等外科手术等医疗设备，在辐射环境相对稳定亦有利于航天和军事。GaN 已被欧洲航天局 (ESA) 认定为＂关键使能技术＂，并为促进技术创新设立 GREAT2 项目 (GaN 可靠性增强和技术转让)；美国宇航局 (NASA) HOTTech 计划 (the Hot Operating Temperature Technology Program)，亦资助氮化镓研究以支持水星和金星的探索。
传统硅的能隙仅为 1.12 eV，意味着只要稍微升温，电子就很容易被激发并从＂价带＂转变为＂导带＂。如此一来，就无法控制载波，进而导致设备故障——水星白天温度可达 430℃，离太阳更近且富含二氧化碳的金星表面温度更上看 462℃；相较之下，氮化镓的能隙为 3.4 eV，可允许设备耐受更高的温度，特别适用于航天宇宙探索的传感器和电子仪器。HOTTech 计划研究人员表示，制程中的蚀刻和再生长是设备性能的关键。透过化学气相沉积 (CVD) 在氮化镓基板上制造内存，在沉积几层氮化镓之后，用电浆蚀刻掉部分区域再重新生长。
如此可产生一个存在氮原子空位的接口层，由氮空位负责撷取和释放电子，进而在器件中产生高、低阻态 (或 0、1 状态)。目前氮化镓可稳定在 0、1 之间切换的安全极限温度是 300℃，可重复循环 1,000 次；一旦高于 350℃，设备就会失去记忆效应。神奇的是，只要恢复到室温，设备就会起死回生，对多数工业应用相当具有竞争力；但要应对水星和金星环境，还必须往 500℃上限努力。
微波／毫米波高频通信，基板制程推陈出新
5G 时代，RF 组件的收、发基本上皆属高频信号，主要采用化合物半导体组件；其中，在 3.5GHz 和 4.5GHz 确定用氮化镓技术，中国大陆的华为和中兴已开始在基地台采用 GaN。相较于砷化镓 (GaAs)，氮化镓可耐受更高的工作温度和电压，更适合作为微波 RF 的功率放大器，能在 10GHz 以上提供数十到数百瓦的功率，可望成为主流。Future Market Insights 预估 2018～2023 年 RF 功率半导体 CAGR 为 12.7%；惟氮化镓材料和制程属高资本密集且集成系统成本高，加上砷化镓已抢先卡位毫米波集成电路 (MMIC) 和低噪声放大器 (LNA)，是氮化镓市场增长的最大阻碍。
5G 时代，RF 组件的收、发基本上皆属高频信号，主要采用化合物半导体组件；其中，在 3.5GHz 和 4.5GHz 确定用氮化镓技术，中国大陆的华为和中兴已开始在基地台采用 GaN。相较于砷化镓 (GaAs)，氮化镓可耐受更高的工作温度和电压，更适合作为微波 RF 的功率放大器，能在 10GHz 以上提供数十到数百瓦的功率，可望成为主流。Future Market Insights 预估 2018～2023 年 RF 功率半导体 CAGR 为 12.7%；惟氮化镓材料和制程属高资本密集且集成系统成本高，加上砷化镓已抢先卡位毫米波集成电路 (MMIC) 和低噪声放大器 (LNA)，是氮化镓市场增长的最大阻碍。
基板制程亦影响甚巨。TDI、Kyma、先进科材 (ATMI)、Cree、CPI 等公司已实现氮化镓单晶基板的商品化，以 6 吋为主流——蓝宝石基 GaN 技术最成熟；硅基 GaN (GaN-on-Si) 可实现高集成性和低成本，下一步拟往大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑基板材料进化。钻石基板 (GaN-on-diamond) 则是最新研究方向，可透过更小的电子组件提高功率和效率，较 GaN-on-SiC 晶体器件实现超过两倍的功率密度区域。在给定功率下，GaN-on-diamond 基板和闸极结之间的热阻可较 GaN-on-SiC 器件减少约 50%。
作为 RF 功率放大器使用，可降低电信基地台、卫星设备和雷达感测仪器的热耗并提高寿命，亦可用于混合动力车／电动车 (HEV/EV) 转换器和逆变器 (Inverter)。Akash Systems 公司是专利领先厂商，另韩国 RFHIC 公司向戴比尔斯 (De Beers) 集团的成员公司 Element Element 收购 GaN-on-diamond 技术。再者，半导体线径微缩亦恐成为限制 GaN 功率器件市场增长的关键因素——GaN 器件高电流密度扩大，使组装和互连技术面临挑战；因考虑到塑料封装具有固有的限速引线电感，恐有损性能，故 GaN 多采表面贴装 (SMT) 或 WLCSP。
＂氧化镓＂(Ga2O3) 将启动新一轮竞合？
当人们还在挣扎什么情境下值得采用 GaN？新的强劲对手似乎已悄然出现。美国国家可再生能源实验室 (NREL) 抛出一个震撼弹：未来＂氧化镓＂(三氧化二镓，Ga2O3) 的成本可能更低！研究结果显示，考虑诸如晶体生长和晶锭加工之类的因素，氧化镓晶圆的制造成本比 SiC 便宜 3～5 倍，且晶圆尺寸较 GaN 更容易扩大，可能为现有的硅、碳化硅和氮化镓技术提供互补，应用在 AC-DC 转换等低频、高压应用。氧化镓的电子迁移率约 4.8eV，比 SiC 和 GaN 都高，允许在击穿发生之前处理更高的电压和功率密度，据悉击穿电压已达 3kV。
当人们还在挣扎什么情境下值得采用 GaN？新的强劲对手似乎已悄然出现。美国国家可再生能源实验室 (NREL) 抛出一个震撼弹：未来＂氧化镓＂(三氧化二镓，Ga2O3) 的成本可能更低！研究结果显示，考虑诸如晶体生长和晶锭加工之类的因素，氧化镓晶圆的制造成本比 SiC 便宜 3～5 倍，且晶圆尺寸较 GaN 更容易扩大，可能为现有的硅、碳化硅和氮化镓技术提供互补，应用在 AC-DC 转换等低频、高压应用。氧化镓的电子迁移率约 4.8eV，比 SiC 和 GaN 都高，允许在击穿发生之前处理更高的电压和功率密度，据悉击穿电压已达 3kV。
氧化镓的临界场强度是碳化硅、氮化镓的两倍多，更是硅的 20 倍以上；而能以相对低的商业成本获得天然基板材料，是它的另一个吸睛之处——硅熔体的晶体生长，可为主流电子产品提供高质量基板；须留意的是，其导热率只有 10～30W / m-K，远逊于碳化硅的 330W / m-K 和氮化镓的 130W / m-K，恐须藉由将器件层转移到另一个热传导更佳的基板以散热，或使用风扇／液体流动的主动冷却。不过，氧化镓仍处于原型阶段，离商用化还有好长一段路，单极 FET 将是下个目标。因应工作电压与临界电场强度极限，宽能隙材料正开启属于它的时代。
