也许有读者还记得ANKER去年发布过一款型号为PowerPort Atom PD1的充电器，它在当时吸引了很多关注的目光。因为它是全球首款采用了GaN（氮化镓）半导体的消费级产品，以普通手机充电头的体积，输出可达30W的功率。这标志着GaN作为第三代半导体新宠，在消费市场开始走向成熟。本次我们就来了解一下GaN的神奇之处。
人类社会从来没有像现在一样在意手机电量，毕竟得先有电，才能实现现代版马斯洛需求层次中的第一层：无线网络需求。目前，电池技术的发展远远跟不上手机的进化，续航时间捉襟见肘，令不少强迫症患者持续焦虑。制造商通用的解决办法就是通过提升充电头的输出功率来缩短充电时间，曲线救国，也就是所谓的快充。
然而高功率必然带来大体积，尽管消费者因为缓解了电量焦虑所以并不怎么在意，但这对矛盾对于业界却是一个痛点。充电头从早期的5W到普遍的18W，体积尚在可容许范围内。但到了27W之后，已经是急剧“增肥”。对于笔记本、平板等终端厂商而言，增加体积就等于增加了物料和运输成本。
我们知道，任何元器件，其单位体积的功率转换都会有天花板，区别只是天花板高低的问题。现在，第一代和第二代半导体材料在输出功率方面已经达到了极限，要提高功率只能增大器件体积，同时留出足够的散热空间。当然值得欣慰的是，快充统一采用PD标准之后，手机和笔记本电脑能够共用电源，出门可以少带一个充电头，不过这治标不治本。现在业界正在努力寻找能承受高功率且转换效率高的材料，转换效率高意味着电流损耗降低，发热量降低，才能从根本上解决功率与体积的矛盾。而氮化镓(GaN)此时正好路过。
氮化镓，分子式GaN，属于人造化合物。之所以强调人造，是因为需要2000多度的高温和近万个大气压下才能合成为氮化镓，这在自然界比较困难。GaN熔点为1700℃，并具有六方纤锌矿结构，因此相当坚硬，化学性质也非常稳定。GaN是二元Ⅲ-Ⅴ族的直接带隙半导体，在室温下的禁带宽度为3.4eV，超过了大多数的半导体材料，比如硅的禁带宽度仅为1.1eV，这一区别使得GaN非常适合制造光电器件。
“禁带宽度”是半导体领域的一个专有概念。所谓半导体并不是说导电能力只有导体的一半，而是它可以根据需求导通或者绝缘。实际上，世间万物的导电性都是由“导带”里含有的电子数量决定的，当电子从“价带”获得能量跃迁至“导带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。导带的最低点和价带的最高点之间的能量差，就是所谓的“禁带宽度”，用电子伏特eV作为衡量单位。金属的禁带宽度非常小，电子很容易获得能量跃迁而导电，但绝缘材料的禁带宽度就很大，通常大于9eV，电子很难跳跃，所以无法导电。一般半导体材料的禁带宽度为1eV～3eV，只要给予适当的能量激发，就能导电。常见的晶体管，就是通过改变控制极的电压，来控制晶体管的导通或截止，简而言之就像水闸一样。
GaN自1990年起就活跃在LED行业，是LED包括激光二极管的核心组成部分。GaN是少数能够发出蓝光的材料之一，可制作蓝光激光头。不过，现在市场上广泛使用的都是基于蓝宝石或碳化硅衬底的氮化镓LED，导致LED芯片存在非常高的缺陷密度。如果能用GaN本身作为衬底，则LED芯片的缺陷密度将降低为现在的百分之一甚至千分之一，那时候使用GaN材料的LED亮度、发光效率、寿命均远远超过节能灯。
当然GaN的主场并不限于此。GaN可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；较大的禁带宽度和击穿能力，使得器件导通电阻减少，有利于提升器件整体的能效；更高的电子饱和速度和电子迁移率，可让器件高速地工作。简单说来，就是GaN能做出高能效、低能耗、高频率、大带宽、小体积的半导体元器件。
军事领域是GaN研究的发源地，实际上最早GaN就是在美国国防部的推动下开始的。2016年3月，爱国者导弹防御系统制造商美国雷神公司推出了基于GaN的相控阵天线系统，能够为爱国者导弹防御系统提供360°无死角的雷达搜索制导能力。机载火控雷达、弹载导引头、舰载预警防空雷达等，也越来越多使用这种相控阵天线系统。现在，这些技术正在慢慢从军用转为民用，例如汽车无人驾驶系统、60GHz Wi-Fi、5G通信等。
GaN非常适合于山雨欲来的5G通信领域。在5G的关键技术Massive MIMO中，基站要使用大型阵列天线来实现更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要大量的射频器件。射频电路中的一个关键组成是PA功率放大器，用于实现发射通道的射频信号放大。
▲已建成的5G基站，方盒子里面全是密密麻麻的RF和BF收发模块。
目前PA以砷化镓器件为主流，但砷化镓器件无法在5G的高频率下保持高集成度，这将射频器件的体积成为一大难题。同时基站数量和密度将成倍增加，对射频器件的需求量将是几何级数增长，因此控制器件体积和成本十分关键。
▲伴随着用户量和数据量的剧增，基站MIMO阵列天线也越来越复杂。
GaN的高效率和高功率密度的特点，让它在既定功率水平下能够做到更小的体积；GaN的大带宽特性是实现多频载波聚合等重要新技术的关键因素之一。同时，在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，GaN可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸，实现性能成本的最优化组合。
业内习惯把2019年作为国内5G建设元年，运营商纷纷抢滩基站建设，由此带来GaN放大器的海量需求。预计到2020年，基站端GaN放大器市场规模可达32.7亿元，到2023年将达到121.7亿元。
本文开头已经说过，GaN用在电源上，实现了小体积兼顾大功率输出，这是通过GaN材料的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）实现的。MOSFET简单说来就是开关型的晶体管，有别于传统的晶体三极管是电流驱动，MOSFET是电压驱动型器件，只需在门极施加一个合适的电压，MOSFET就会导通。这一特性让MOSFET在AC/DC开关电源、变速电机、荧光灯、DC/DC转换器等设备中有着无法替代的作用。
GaN MOSFET极大突破了开关速度，并在高速开关状态下仍保持高效率。由于GaN临界击穿电场比硅更高，其漏极和源极可承受更高的电压，导通电阻也比硅基MOSFET更小，并且效率更高、速度更快。GaN应用于电源适配器时可以有效缩小产品尺寸，比如可通过25W电源的体积输出45W或更高的功率。
GaN MOSFET的研究并非一帆风顺。十多年前，GaN产量稀少，价格昂贵，并不利于功率系统使用。直至2009年6月，宜普电源转换公司才推出了第一款增强型硅基GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）。随后，松下、富士通、GaN Systems、英飞凌等纷纷开始研发GaN功率晶体管，GaN电源研发、设计、制造才算是正式开始。
2016年，FinSix推出了Dart系列电源。2018年，台达发布了Innergie PowerGear 60C电源。这两款产品都传言使用了GaN，并且价格高达700元人民币，但最终被证实仍是传统的硅基器件。
2018年底，Thinkpad推出Thinkplus口红电源，以口红大小的体积输出了65W的功率，并且支持USB PD，价格亲民，迅速成了网红。然而口红电源依然是基于传统的硅基功率MOSFET，只是用了一种高功率且价格昂贵的Cool MOS。很多小厂也在尝试45W～65W的小体积电源，但结果并不如意。
因此，不难理解ANKER推出PowerPort Atom PD 1为什么能引起极大的关注，因为能在量产电源里用上GaN功率MOSFET确实挺不容易。不过现在，采用GaN的电源适配器已经颇为常见了。GaN晶体管由于采用标准硅衬底制造，不会增加成本，而且它既定功率需要的面积更小，单位产出更多，成本反而会更低。
▲ANKER PowerPort Atom PD 1采用了PI Inno GaN一体化芯片SC1933C，是一颗GaN功率器件，无需辅助散热，让充电器的设计得以大大简化。
▲鑫谷在2019年台北电脑展上展示的旗舰产品：昆仑电源，在国产电源中首次使用GaN FET。可以看到，图中红色框起来的方形小贴片就是GaN，体积非常小巧，能够节省电源内部的空间。
GaN在其他行业也有重要用途。例如，激光雷达（LiDAR）使用激光脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。由于GaN MOSFET比传统器件的开关速度快上十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，这在VR中侦测实时动作、在汽车自动驾驶系统中提升对周围环境的感知和视觉能力，都将发挥重要作用。
▲搭载在战斗机上的相控阵雷达，密恐患者的克星。
▲OPPO已经开始在手机充电器中导入GaN技术，从而让自家的SuperVOOC拥有更高效的快充能力。
目前，硅材料正在遭遇造物主设置的物理极限门槛，摩尔定律已经显出颓势。既然GaN有着各种神奇的特征，那么它是否能够取代硅的霸主地位？答案是否定的。功率电路和逻辑电路需要常开和常关两种晶体管的配合，GaN器件通常是耗尽型器件，当栅极-源极电压为0时它是导通状态，也就是常开型晶体管。
如果要生产常关型晶体管，要么依赖于传统的硅基MOSFET，要么需要特殊的附加层，但这样一来就失去了体积优势。此外，目前无法以和硅晶体管相同的规模生产GaN晶体管，因为硅无论是工艺还是成本都已经非常成熟—人们可以用遍布整个地球的沙子，制造出无缺陷的硅晶圆，这是其他任何材料都无法做到的。
▲典型的CMOS“非”门电路，在这种领域里硅无可替代。
术业有专攻，GaN的优秀特性决定了它并不需要在逻辑电路领域与硅竞争，大家各有所长，各司其职。国外在GaN单晶材料研究方面起步较早，欧美、日本都取得了一定的成果。由于历史原因，我国并没有赶上第一、二代半导体的马车，但多年来在LED领域的耕耘，使得国内已经具备了GaN的产业基础，包括设备、产业链配套、技术人员等，甚至连飞利浦、欧司朗这些玩灯的高手都把照明业务卖给中国。加之国内巨大的市场产生的拉动力，这可能会是一次后发赶超的好机会。