（GaN）日本在電動車上使用氮化鎵 消耗電力大減2成！
CP-MG 20191024 09:00
資料來源：鉅亨網、EPC、每日頭條、AFP法新社、宜普
圖片來源： 鉅亨網、EPC、每日頭條、Robert Laska、宜普
由日本名古屋大學、大阪大學，還有Panasonic (6752-JP) 等企業及團體所共同合作，利用被期待作為新世代節能半導體材料「氮化鎵」(GaN) 所試作的電動車(EV)，在週三(23 日) 於2019 年東京車展上，公開在媒體面前。由於氮化鎵材料的特性，可大幅減少電動設備的能源損失，消耗電力約可減少 2 成左右，而未來也將與汽車製造商合作，希望在 2025 年前後可以邁入實用化階段。
日本名古屋大學「未來材料‧ 系統研究所」的天野浩教授等的研究團隊，成功將藍光LED 的製造材料「氮化鎵」應用在電動車的製作上，消費電力較以往的電動車減少20%以上。
而在即將於 10 月 24 日開幕的第 46 屆 2019 東京車展上，研究團隊也會以藍光 LED 的顏色作為象徵，展出藍色的概念電動車。
過去天野浩教授利用氮化鎵製作出藍光 LED，這項成就也為他贏得了 2014 年的諾貝爾物理學獎。而他所參加的研究團體加入了日本環境省的專案計畫，自 2017 年開始，就持續在電池直、交流轉換的逆變器上，利用氮化鎵半導體來進行研究。
根據天野浩教授的說法，逆變器內部的電晶體，在體積上只有過去使用矽晶圓來作為半導體材料時的 1/10，消費電力也得以受到抑制。
研發團隊將目標擺在 2025 年前後，希望技術到了屆時能夠邁入實用化階段。天野浩教授表示「行駛距離將能拉長，在使用空調時也可降低電池減少的不安。將致力於生產體制的推動，還有生產成本的降低」。
獲頒 2014 年諾貝爾物理學獎的天野浩教授 ↓
氮化鎵( GaN)延伸閱讀：
什麼是GaN？
GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。
什麼是GaN？
GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。
What is GaN (Gallium nitride) ?
Silicon Transistors and the Electronics Age
The Age of GaN is Underway
With the increase in transistor and IC performance made possible by GaN materials, now is the time for innovative power design engineers to take advantage of GaN attributes:
*lower on resistance giving lower conductance losses
*faster devices yielding less switching losses
*less capacitance resulting in less losses when charging and discharging devices
*less power needed to drive the circuit
*smaller devices taking up less space on the printed circuit board
*lower cost
Use our interactive parametric selection tool to identify the best possible GaN solution for your power conversion system.
Gallium nitride (GaN) is a material that can be used in the production of semiconductor power devices as well as RF components and light emitting diodes (LEDs). GaN has demonstrated the capability to be the displacement technology for silicon semiconductors in power conversion, RF , and analog applications.
Since the dawn of the electronics age over a hundred years ago, power design engineers have been on a quest for the ideal switch, one that will rapidly and efficiently convert raw electrical energy into a controlled, useful flow of electrons. First came the vacuum tube but inefficiency, as evidenced in the heat that they generate, and their large size and high cost, created limits to their ultimate use. Next, in the late '50s, the transistor gained widespread use; with its small size and better efficiency they appeared to be the “holy grail” and rapidly displaced tubes while creating enormous new markets unreachable by vacuum tube technology.
Silicon quickly became the material of choice for the semiconductor transistor, not only because of its fundamentally superior electrical properties, but it was also far less expensive to produce than the vacuum tube. The meteoric rise of the silicon transistor, and subsequently integrated circuits, continued throughout the 1970's and 1980's. “Moore's Law” – which called for a doubling of the transistor's performance with a lowering cost approximately every 18 months, created a synchronized drumbeat of new products with higher performance AND lower cost to the delight of the consumer. And , for power conversion, it was the silicon-based power MOSFET, which was the core of this rise.
As with the vacuum tube, silicon power MOSFETs have now reached the end of road in delivering better performance at a constantly declining cost. Fortunately, the quest for the ideal switch that has infinitely fast switching speed, no electrical resistance, and a lower cost, has not slowed and new base materials upon which to build high performance power conversion transistors and integrated circuits have emerged.
Rise of Gallium Nitride Semiconductors
The leading candidate for taking electronic performance to the next level and a reactivation of positive momentum of Moore's Law is gallium nitride. GaN's ability to conduct electrons more than 1000 times more efficiently than silicon, while being able to be manufactured at a lower cost than silicon has now been well established. Silicon is out of gas, and a new, higher performing semiconductor material is emerging – GaN is on the rise.
Fortunately, the cost to produce a GaN device is inherently lower than the cost to produce a MOSFET device, since GaN devices are produced using standard silicon manufacturing procedures in the same factories that currently produce traditional silicon semiconductors, and the resulting devices are much smaller for the same functional performance. Since the individual devices are much smaller than silicon devices, many more GaN devices can be produced per wafer, thus forming a situation where GaN devices will always cost less to manufacture than their silicon counterparts. As GaN technology improves, the cost gap gets even wider.
Silicon Transistors and the Electronics Age
The Age of GaN is Underway
With the increase in transistor and IC performance made possible by GaN materials, now is the time for innovative power design engineers to take advantage of GaN attributes:
*lower on resistance giving lower conductance losses
*faster devices yielding less switching losses
*less capacitance resulting in less losses when charging and discharging devices
*less power needed to drive the circuit
*smaller devices taking up less space on the printed circuit board
*lower cost
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Gallium nitride (GaN) is a material that can be used in the production of semiconductor power devices as well as RF components and light emitting diodes (LEDs). GaN has demonstrated the capability to be the displacement technology for silicon semiconductors in power conversion, RF , and analog applications.
Since the dawn of the electronics age over a hundred years ago, power design engineers have been on a quest for the ideal switch, one that will rapidly and efficiently convert raw electrical energy into a controlled, useful flow of electrons. First came the vacuum tube but inefficiency, as evidenced in the heat that they generate, and their large size and high cost, created limits to their ultimate use. Next, in the late '50s, the transistor gained widespread use; with its small size and better efficiency they appeared to be the “holy grail” and rapidly displaced tubes while creating enormous new markets unreachable by vacuum tube technology.
Silicon quickly became the material of choice for the semiconductor transistor, not only because of its fundamentally superior electrical properties, but it was also far less expensive to produce than the vacuum tube. The meteoric rise of the silicon transistor, and subsequently integrated circuits, continued throughout the 1970's and 1980's. “Moore's Law” – which called for a doubling of the transistor's performance with a lowering cost approximately every 18 months, created a synchronized drumbeat of new products with higher performance AND lower cost to the delight of the consumer. And , for power conversion, it was the silicon-based power MOSFET, which was the core of this rise.
As with the vacuum tube, silicon power MOSFETs have now reached the end of road in delivering better performance at a constantly declining cost. Fortunately, the quest for the ideal switch that has infinitely fast switching speed, no electrical resistance, and a lower cost, has not slowed and new base materials upon which to build high performance power conversion transistors and integrated circuits have emerged.
Rise of Gallium Nitride Semiconductors
The leading candidate for taking electronic performance to the next level and a reactivation of positive momentum of Moore's Law is gallium nitride. GaN's ability to conduct electrons more than 1000 times more efficiently than silicon, while being able to be manufactured at a lower cost than silicon has now been well established. Silicon is out of gas, and a new, higher performing semiconductor material is emerging – GaN is on the rise.
Fortunately, the cost to produce a GaN device is inherently lower than the cost to produce a MOSFET device, since GaN devices are produced using standard silicon manufacturing procedures in the same factories that currently produce traditional silicon semiconductors, and the resulting devices are much smaller for the same functional performance. Since the individual devices are much smaller than silicon devices, many more GaN devices can be produced per wafer, thus forming a situation where GaN devices will always cost less to manufacture than their silicon counterparts. As GaN technology improves, the cost gap gets even wider.
半導體原料共經歷了三個發展階段：第一階段是以矽(Si)、鍺(Ge) 為代表的第一代半導體原料；第二階段是以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP ) 等化合物為代表；第三階段是以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、硒化鋅(ZnSe) 等寬頻半導體原料為主。
第三代半導體原料具有較大的頻寬寬度，較高的擊穿電壓 (breakdown voltage)，耐壓與耐高溫性能良好，因此更適用於製造高頻、高溫、大功率的射頻元件。
從第二代半導體原料開始出現化合物，這些化合物憑藉優異性能在半導體領域中取得廣泛應用。
如 GaAs 在高功率傳輸領域具有優異的物理性能優勢，廣泛應用於手機、無線區域網路、光纖通訊、衛星通訊、衛星定位等領域。
GaN 則具有低導通損耗、高電流密度等優勢，可顯著減少電力損耗和散熱負載。可應用於變頻器、穩壓器、變壓器、無線充電等領域。
SiC 因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優異性能，在交流 - 直流轉換器等電源轉換裝置中得以大量應用。
明日之星 - GaN
GaN 是未來最具增長潛力的化合物半導體，與 GaAs 和 InP 等高頻工藝相比，GaN 製成元件輸出的功率更大；與 LDMOS 和 SiC 等功率工藝相比，GaN 的頻率特性更好。
大多數 Sub 6GHz 的蜂窩網路都將採用 GaN 元件，因為 LDMOS 無法承受如此高的頻率，而 GaAs 對於高功率應用又非理想之選。
此外，因為較高的頻率會降低每個基地台的覆蓋範圍，所以需要安裝更多的電晶體，進而帶動 GaN 市場規模將迅速擴大。
第三代半導體原料具有較大的頻寬寬度，較高的擊穿電壓 (breakdown voltage)，耐壓與耐高溫性能良好，因此更適用於製造高頻、高溫、大功率的射頻元件。
從第二代半導體原料開始出現化合物，這些化合物憑藉優異性能在半導體領域中取得廣泛應用。
如 GaAs 在高功率傳輸領域具有優異的物理性能優勢，廣泛應用於手機、無線區域網路、光纖通訊、衛星通訊、衛星定位等領域。
GaN 則具有低導通損耗、高電流密度等優勢，可顯著減少電力損耗和散熱負載。可應用於變頻器、穩壓器、變壓器、無線充電等領域。
SiC 因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優異性能，在交流 - 直流轉換器等電源轉換裝置中得以大量應用。
明日之星 - GaN
GaN 是未來最具增長潛力的化合物半導體，與 GaAs 和 InP 等高頻工藝相比，GaN 製成元件輸出的功率更大；與 LDMOS 和 SiC 等功率工藝相比，GaN 的頻率特性更好。
大多數 Sub 6GHz 的蜂窩網路都將採用 GaN 元件，因為 LDMOS 無法承受如此高的頻率，而 GaAs 對於高功率應用又非理想之選。
此外，因為較高的頻率會降低每個基地台的覆蓋範圍，所以需要安裝更多的電晶體，進而帶動 GaN 市場規模將迅速擴大。
氮化鎵( GaN) 產業分析：
氮化鎵技術可以追溯到 1970 年代，美國無線電公司（RCA）開發了一種氮化鎵工藝來製造 LED。自上世紀90年代開始，基於GaN的LED大放異彩，目前已是LED的主流。現在市場上銷售的很多 LED 就是使用藍寶石襯底的氮化鎵技術。
除了 LED，氮化鎵也被使用到了功率半導體與射頻器件上。基於氮化鎵的功率晶片正在市場站穩腳跟。 2010年，第一個GaN功率器件由IR投入市場，2014年以後，600V GaN HEMT已經成為GaN器件主流。 2014年，行業首次在8英寸SiC（碳化矽）上生長GaN器件。
3、GaN 在電力電子領域與微波射頻領域均有優勢
①、GaN 在電力電子領域：高效率、低損耗與高頻率
高轉換效率：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。
低導通損耗：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。
Si 功率器件開關速度慢，能量損耗大 ↓
GaN 開關速度快，可大幅度提升效率（來源：太平洋證券整理）
高工作頻率：GaN開關器件寄生電容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。
②、GaN 在微波射頻領域：高效率、大帶寬與高功率
更高功率：GaN 上的電子具有高飽和速度（在非常高的電場下的電子速度）。結合大電荷能力，這意味著 GaN 器件可以提供更高的電流密度。 RF 功率輸出是電壓和電流擺動的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實際尺寸的電晶體中產生更高的 RF 功率。在4GHz以上頻段，可以輸出比GaAs高得多的頻率，特別適合雷達、衛星通信、中繼通信等領域。
更高效率：降低功耗，節省電能，降低散熱成本，降低總運行成本。
更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實現多頻率覆蓋，降低客戶產品成本。也適用於擴頻通信、電子對抗等領域。
另外值得一提的是，GaN-on-SiC 器件具有出色的熱性能，這主要歸功於 SiC 的高導熱性。實際上，這意味著 GaN-on-SiC 器件在耗散相同功率時不會像 GaAs 或 Si 器件那樣熱。 「較冷」設備意味著更可靠的設備。
4、與第二代半導體材料GaAs相比優勢明顯
GaN 器件的功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的十倍。 GaN 器件的更高功率密度使其能夠提供更寬的帶寬，更高的放大器增益和更高的效率，這是由於器件外圍更小。
GaN 場效應電晶體（FET）器件的工作電壓可以比同類 GaAs 器件高五倍。由於 GaN FET 器件可以在更高的電壓下工作，因此設計人員可以更輕鬆地在窄帶放大器設計上實現阻抗匹配。阻抗匹配是以這樣的方式設計電負載的輸入阻抗的實踐，其最大化從設備到負載的功率傳輸。
GaN FET 器件的電流是 GaAs FET 器件的兩倍。由於 GaN FET 器件可提供的電流是 GaAs FET 器件的兩倍，因此 GaN FET 器件具有更高的帶寬能力。大部分的半導體器件對於溫度的變化都是非常敏感的，為了保證可靠性，半導體的溫度變化必須被控制在一定範圍內。熱管理對於 RF 系統來說尤其重要，因為它們本身能量損耗就比較高，會帶來比較嚴重的散熱問題。 GaN 在保持低溫方面有其獨特優勢，另外即使在溫度較高的情況下，相比於矽其性能影響較小。例如 100 萬小時失效時間中位數 MTTF 顯示，GaN 比 GaAs 的工作溫度可以高 50 攝氏度。
▲GaAs 與 GaN 的可靠性比較（資料來源：Qorvo, 中銀國際證券）
與其他半導體（如Si 和GaAs）相比，GaN 是一種相對較新的技術，但它已成為高射頻，高耗電應用的首選技術，如長距離或高端功率傳輸信號所需的應用（如雷達，基站收發信台[BTS]，衛星通信，電子戰[EW]等）。
5、隨著成本降低，GaN 市場空間巨大
隨著成本降低，GaN市場空間巨大。 GaN與SiC、Si材料各有其優勢領域，但是也有重疊的地方。 GaN材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應用場景，但是在高壓高功率場景不如SiC；隨著成本的下降，GaN有望在中低功率領域替代二極體、IGBT、MOSFET等矽基功率器件。以電壓來分，0~300V是Si材料佔據優勢，600V以上是SiC佔據優勢，300V~600V之間則是GaN材料的優勢領域。
根據Yole估計，在0~900V的低壓市場，GaN都有較大的應用潛力，這一塊佔據整個功率市場約68%的比重，按照整體市場154億美元來看，GaN潛在市場超過100億美元。
高工作頻率：GaN開關器件寄生電容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。
②、GaN 在微波射頻領域：高效率、大帶寬與高功率
更高功率：GaN 上的電子具有高飽和速度（在非常高的電場下的電子速度）。結合大電荷能力，這意味著 GaN 器件可以提供更高的電流密度。 RF 功率輸出是電壓和電流擺動的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實際尺寸的電晶體中產生更高的 RF 功率。在4GHz以上頻段，可以輸出比GaAs高得多的頻率，特別適合雷達、衛星通信、中繼通信等領域。
更高效率：降低功耗，節省電能，降低散熱成本，降低總運行成本。
更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實現多頻率覆蓋，降低客戶產品成本。也適用於擴頻通信、電子對抗等領域。
另外值得一提的是，GaN-on-SiC 器件具有出色的熱性能，這主要歸功於 SiC 的高導熱性。實際上，這意味著 GaN-on-SiC 器件在耗散相同功率時不會像 GaAs 或 Si 器件那樣熱。 「較冷」設備意味著更可靠的設備。
4、與第二代半導體材料GaAs相比優勢明顯
GaN 器件的功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的十倍。 GaN 器件的更高功率密度使其能夠提供更寬的帶寬，更高的放大器增益和更高的效率，這是由於器件外圍更小。
GaN 場效應電晶體（FET）器件的工作電壓可以比同類 GaAs 器件高五倍。由於 GaN FET 器件可以在更高的電壓下工作，因此設計人員可以更輕鬆地在窄帶放大器設計上實現阻抗匹配。阻抗匹配是以這樣的方式設計電負載的輸入阻抗的實踐，其最大化從設備到負載的功率傳輸。
GaN FET 器件的電流是 GaAs FET 器件的兩倍。由於 GaN FET 器件可提供的電流是 GaAs FET 器件的兩倍，因此 GaN FET 器件具有更高的帶寬能力。大部分的半導體器件對於溫度的變化都是非常敏感的，為了保證可靠性，半導體的溫度變化必須被控制在一定範圍內。熱管理對於 RF 系統來說尤其重要，因為它們本身能量損耗就比較高，會帶來比較嚴重的散熱問題。 GaN 在保持低溫方面有其獨特優勢，另外即使在溫度較高的情況下，相比於矽其性能影響較小。例如 100 萬小時失效時間中位數 MTTF 顯示，GaN 比 GaAs 的工作溫度可以高 50 攝氏度。
▲GaAs 與 GaN 的可靠性比較（資料來源：Qorvo, 中銀國際證券）
與其他半導體（如Si 和GaAs）相比，GaN 是一種相對較新的技術，但它已成為高射頻，高耗電應用的首選技術，如長距離或高端功率傳輸信號所需的應用（如雷達，基站收發信台[BTS]，衛星通信，電子戰[EW]等）。
5、隨著成本降低，GaN 市場空間巨大
隨著成本降低，GaN市場空間巨大。 GaN與SiC、Si材料各有其優勢領域，但是也有重疊的地方。 GaN材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應用場景，但是在高壓高功率場景不如SiC；隨著成本的下降，GaN有望在中低功率領域替代二極體、IGBT、MOSFET等矽基功率器件。以電壓來分，0~300V是Si材料佔據優勢，600V以上是SiC佔據優勢，300V~600V之間則是GaN材料的優勢領域。
根據Yole估計，在0~900V的低壓市場，GaN都有較大的應用潛力，這一塊佔據整個功率市場約68%的比重，按照整體市場154億美元來看，GaN潛在市場超過100億美元。
GaN RF 市場即將大放異彩。根於 Yole 的預測，在通信和國防應用的推動下 RF GaN 產業在 2017 年至 2023 年期間的複合年增長率將會達到的 23％。截至 2017 年底 RF GaN 市場總量接近 3.8 億美元，2023 年將達到13 億美元以上。基於 RF 的 GaN 技術也在不斷創新以滿足工業界需求。國防應用是 RF GaN 的主要市場領域，這是因為 GaN 產品具有專業的高性能要求和低價格優勢。 2017-2018 年間，國防應用佔 GaN射頻市場總量的 35％以上，目前全球國防市場在 GaN 領域沒有放緩跡象。
二、GaN 市場：射頻是主戰場，5G 是重要機遇
1、GaN 是射頻器件的合適材料
目前射頻市場主要有三種工藝：GaAs 工藝，基於 Si 的 LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）工藝，以及 GaN 工藝。 GaAs 器件的缺點是器件功率較低，低於 50W。
LDMOS 器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在 3GHz 以下。 GaN 彌補了GaAs 和 Si 基 LDMOS 兩種老式技術之間的缺陷，在體現 GaAs 高頻性能的同時，結合了 Si 基 LDMOS 的功率處理能力。
在射頻PA 市場， LDMOS PA 帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz 的頻率範圍內有效，採用0.25 微米工藝的GaN 器件頻率可以高達其4 倍，帶寬可增加20% ，功率密度可達6~8 W/mm（LDMOS 為1~2W/mm），且無故障工作時間可達100 萬小時，更耐用，綜合性能優勢明顯。
在更高的頻段（以及低功率範圍），GaAs PA 是目前市場主流，出貨佔比佔 9 成以上，與 GaAs RF 器件相比，GaN 優勢主要在於帶隙寬度與熱導率。帶隙寬度方面，GaN 的帶隙電壓高於 GaAs（3.4 eV VS1.42 eV），GaN 器件具有更高的擊穿電壓，能滿足更高的功率需求。熱導率方面，GaN-on-SiC 的熱導率遠高於 GaAs，這意味著器件中的功耗可以更容易地轉移到周圍環境中，散熱性更好。
2、GaN 是 5G 應用中的關鍵技術
5G 將帶來半導體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN 的優勢將逐步凸顯，這正是前一節討論的地方。正是這一優勢，使得 GaN 成為 5G 的關鍵技術。
在Massive MIMO 應用中，基站收發信機上使用大數量（如32/64 等）的陣列天線來實現了更大的無線數據流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發單元陣列配套，因此射頻器件的數量將大為增加，使得器件的尺寸大小很關鍵，利用GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。除了基站射頻收發單元陳列中所需的射頻器件數量大為增加，基站密度和基站數量也會大為增加，因此相比3G、4G 時代，5G 時代的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數量增加。在 5G 毫米波應用上，GaN 的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸。
2018 年 12 月，Qorvo 發布行業首款 28 Ghz GaN 前端模塊 QPF4001 FEM，在單個 MMIC 中集成了高線性度 LNA、低損耗發射/接收開關和高增益、高效率多級 PA。針對 5G 基站架構中間隔 28 GHz 的相控陣元件，對緊湊對緊湊型 5x4 毫米氣腔層表貼封裝進行了優化。該模塊採用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技術。
3、GaN 電力電子器件典型應用：快充電源
GaN 電力電子器件方面典型應用市場是電源設備。由於結構中包含可以實現高速性能的異質結二維電子氣，GaN 器件相比於SiC 器件擁有更高的工作頻率，加之可承受電壓要低於SiC 器件，所以GaN 電力電子器件更適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。
GaN 電力電子器件增速最快的是快充市場。 2018 年，世界第一家GaN IC 廠商Navitas 和Exagan 推出了帶有集成GaN 解決方案（GaNFast™）的45W 快速充電電源適配器，此45W 充電器與Apple USB-C 充電器相比，兩者功率相差不大，但是體積上完全是不同的級別，內置GaN 充電器比蘋果充電器體積減少40%。目前來看，採用GaN 材料的快速充電器已成星火燎原之勢，有望成為行業主流。
三、GaN 產業鏈梳理
典型的GaN 射頻器件的加工工藝主要包括外延生長-器件隔離-歐姆接觸（製作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極製作-場板製作-襯底減薄-襯底通孔等環節。
GaN與SiC產業鏈類似，GaN器件產業鏈各環節依次為：GaN單晶襯底（或SiC、藍寶石、Si）→GaN材料外延→器件設計→器件製造。目前產業以IDM企業為主，但是設計與製造環節已經開始出現分工，如傳統矽晶圓代工廠台積電開始提供GaN製程代工服務，國內的三安集成也有成熟的GaN製程代工服務。
GaN襯底：主流產品以2~3英寸為主，4英寸也已經實現商用。 GaN襯底主要由日本公司主導，日本住友電工的市場份額達到90%以上。我國目前已實現產業化的企業包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學的東莞市中鎵半導體科技公司。
GaN外延片：根據襯底的不同主要分為GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN四種。
GaN-on-Si：目前行業生產良率較低，但是在降低成本方面有著巨大的潛力：因為Si是最成熟、無缺陷、成本最低的襯底材料；同時Si可以擴展到8寸晶圓廠，降低單位生產成本，使其晶圓成本與SiC基相比只有其百分之一；Si的生長速度是於SiC晶體材料的200至300倍，還有相應的晶圓廠設備折舊以及能耗成本上的差別等。 GaN-on-Si外延片主要用於製造電力電子器件，其技術趨勢是優化大尺寸外延技術。
GaN-on-SiC：結合了SiC優異的導熱性和的GaN高功率密度和低損耗的能力，是RF的合適材料。受限於SiC的襯底，目前尺寸仍然限制在4寸與6寸，8寸還沒有推廣。 GaN-on-SiC外延片主要用於製造微波射頻器件。
GaN-on- sapphire：主要應用在LED市場，主流尺寸為4英寸，藍寶石襯底GaN LED晶片市場佔有率達到90%以上。
GaN- on- GaN：採用同質襯底的GaN主要應用市場是藍/綠光雷射器，應用於雷射顯示、雷射存儲、雷射照明等領域。
GaN外延片相關企業主要有比利時的EpiGaN、英國的IQE、日本的NTT-AT。中國廠商有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀金光，蘇州晶湛2014年就已研發出8」矽基外延片，現階段已能批量生產。蘇州能華主要面向太陽能發電、電力傳輸等電力領域。世紀金光在SiC、GaN領域的粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。
GaN器件設計與製造：GaN器件分為射頻器件和電力電子器件，射頻器件產品包括PA、LNA、開關器、MMIC等，面向基站衛星、雷達等市場；電力電子器件產品包括SBD、常關型FET 、常開型FET、級聯（Cascode）FET等產品，面向無線充電、電源開關、包絡跟蹤、逆變器、變流器等市場。
按工藝分，則分為HEMT、HBT射頻工藝和SBD、Power FET電力電子器件工藝兩大類。
GaN器件設計廠商（Fabless）方面，有美國的EPC、MACOM、Transphom、Navitas，德國的Dialog，國內有被中資收購的安譜隆（Ampleon）等。
全球 GaN 射頻器件獨立設計生產供應商（IDM）中，住友電工和 Cree 是行業的龍頭企業，市場佔有率均超過 30%，其次為 Qorvo 和 MACOM。住友電工在無線通信領域市場份額較大，其已成為華為核心供應商，為華為 GaN射頻器件最大供應商。 Cree 收購英飛凌 RF 部門後實力大增，LDMOS產品和 GaN 產品在全球都比較有競爭力。 Qorvo 在國防和航天領域市場份額排名第一。此外，還有法國Exagan、荷蘭NXP、德國英飛凌、日本三菱電機、美國Ⅱ-Ⅵ等。
中國GaN 器件IDM 企業有蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華等，大連芯冠科技正在佈局，海威華芯和三安集成可提供GaN 器件代工服務，其中海威華芯主要為軍工服務。中電科 13 所、55 所同樣擁有 GaN 器件製造能力。
GaN代工廠商主要有美國環宇通訊半導體（GCS）、穩懋半導體、日本富士通、Cree、台灣嘉晶電子、台積電、歐洲聯合微波半導體公司（UMS），以及中國的三安集成和海威華芯。此前恩智浦 RF 部門（安譜隆前身） 、英飛凌 RF 部門（已出售給 Cree）、韓國 RFHIC 將 GaN 射頻器件委託Cree 公司代工。 MACOM 收購 Nitronex 在 2011 年就與環宇通訊半導體（GCS）公司合作生產 Si 基 GaN 器件，一直合作至今。 2016 年三安光電收購 GCS 被美國否決，其後三安光電與 GCS 合資設立廈門三安環宇集成電路公司，前期主要生產 6 英寸 GaAs 晶圓。
總結來看，目前美日歐廠商在GaN等第三代半導體材料技術上處於領先地位。相比之下，大陸在GaN領域還是較為弱勢，主要還是依賴於國外代工廠商。
四、專利分佈
從專利角度看，住友電工是 RF GaN 器件的市場的領軍者，但是相比於 Cree 仍然有不小差距。住友電工在專利方面目前有所放緩，而其他日本公司如富士通，東芝和三菱電機正在增加其專利申請，目前也擁有強大的專利組合。英特爾和 MACOM 目前是 RF GaN 領域最活躍申請專利的兩家公司，尤其是 GaN-on-Silicon 技術，如今這兩家公司在 RF GaN 專利領域擁有重要 IP。參與 RF GaN 市場的其他公司，如 Qorvo，Raytheon，Northrop Grumman，恩智浦/飛思卡爾和英飛凌，擁有一些關鍵專利，但智慧財產權地位仍然相對薄弱。
GaN HEMT 已經成為未來大型基地台功率放大器的候選技術。目前預估全球每年新建約 150 萬座基地台，未來 5G 網路還將補充覆蓋區域更小、分佈更加密集的微型基地台，這將刺激 GaN 元件的需求。
此外，國防市場在過去幾十年裡一直是 GaN 開發的主要驅動力，目前已用於新一代空中和地面雷達。
而在 GaN 射頻元件領域中，龍頭廠包括日本住友電工、美國科銳和 Qorvo、韓國 RFHIC 等。 GaN 代工廠則有穩懋 (3105.TW)、三安光電等。
手機中基石 - GaAs
GaAs 作為最成熟的化合物半導體之一，是智慧手機零組件中，功率放大器 (PA) 的基石。
根據Strategy Analytics 數據顯示， 2018 年全球GaAs 元件市場（含IDM 廠元件產值）總產值約為88.7 億美元，創歷史新高，且市場集中度高，前四大廠商比重達73.4%，分別為Skyworks( 32.3%)、Qorvo(26%)、Broadcom(9.1%)、穩懋(6%)。
至於 GaAs 晶圓代工市場方面，2018 年規模為 7.5 億美元，其中穩懋市佔率高達 71.1%，為全球第一大 GaAs 晶圓代工廠。
由於 GaAs 具有載波聚合和多輸入多輸出技術所需的高功率和高線性度，GaAs 仍將是 6 GHz 以下頻段的主流技術。除此之外，GaAs 在汽車電子、軍事領域方面也有一定的應用。
總結上述這些 III-V 族化合物半導體元件具有優異的高頻特性，長期以來被視為太空科技中無線領域應用首選。
隨著商業上寬頻無線通訊及光通訊的爆炸性需求，化合物半導體製程技術更廣泛的被應用在高頻、高功率、低雜訊的無線產品及光電元件中。同時也從掌上型無線通訊，擴散至物聯網趨勢下的 5G 基礎建設和光通訊的技術開發領域。
