基于GaN的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远

GaN 技术可提高效率、缩小尺寸并降低系统成本。光线式距离保持和测量功能（激光雷达）使用脉冲激光快速提供车辆周围环境的高分辨率 360°三维图像，GaN 技术可使激光信号发送速度远高于同类硅 MOSFET 器件。基于 GaN 的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远、更快、更好，从而成为车辆眼睛。

GaN 优势明显，5G 时代拥有丰富的应用场景

氮化镓（GaN）是极其稳定的化合物，又是坚硬和高熔点材料，熔点为 1700℃。GaN 是一种 III/V 直接带隙半导体，通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。
具体而言，微波射频方向包含了 5G 通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用；光电子方向包括了 LED、激光器、光电探测器等应用。
基于 GaN 的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远


由于材料特性的差异，SiC 在高于 1200V 的高电压、大功率应用具有优势，而 GaN 器件更适合 40-1200V的高频应用，尤其是在 600V/3KW 以下的应用场合。因此，在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS 等领域，GaN 可以挑战传统 MOSFET 或 IGBT 器件的地位。GaN 让电源产品更为轻薄、高效。

现行汽车的特点和功能是耗电和电子驱动，给传统的 12V 配电总线带来了额外负担。对于 48V 总线系统，GaN 技术可提高效率、缩小尺寸并降低系统成本。

激光雷达技术的技术难题在于激光器难以在用短脉冲发射激光束的同时维持高峰值功率，然而，这却是确保激光雷达远程测距安全及高分辨的必要条件。而光线式距离保持和测量功能（激光雷达）使用脉冲激光快速提供车辆周围环境的高分辨率 360°三维图像，GaN 技术可使激光信号发送速度远高于同类硅 MOSFET 器件。

基于 GaN 的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远、更快、更好，从而成为车辆眼睛。此外，GaN FET 工作效率高，能以低成本实现最大的无线电源系统效率。

Velodyne固态激光雷达采用了氮化镓（GaN）单片集成电路进行设计，采用自定义专用IC，来加固组件和缩小传感器体积，从而进一步提升可靠性和降低成本。

激光雷达的光源采用红外激光器，通过创建世界的实时3D图像来为自动驾驶汽车提供导航能力。脉冲激光器与单点像素光电探测器，或飞行时间（ToF）图像传感器与高功率激光器提供的闪光照明，用以创建3D图像。激光雷达系统通过测量激光往返于自动驾驶车辆与目标物体的时间，换算为两者间的距离。

增加激光器功率，可以让3D地图从更远的距离捕捉更多的物体和场景，对激光雷达制造商来说很有吸引力。不过，人眼安全是主要考量点，因此极短的脉冲至关重要。高频发射的脉冲（每秒超过100万次）产生更多的数据点，信号质量更佳，这是因为信噪比与脉冲数量的平方根成正比。因此，快速上升和下降的时间至关重要。

欧司朗与GaN Systems合作，为驱动四通道激光器提供理想GaN场效应晶体管

去年，欧司朗和GaN Systems（位于加拿大Kanata）合作，采用每个通道为120 W的激光器进行四通道表面贴装（SMT）封装，峰值功率大于480 W，约2ns的半高全宽（FWHM）脉冲，上升和下降时间小于1 ns（见图1）。

图1：905 nm四通道SMT封装的激光器峰值功率超过480 W
氮化镓（GaN）则是一种完美集合了各向关键特性的宽带隙半导体，能够在汽车认证温度条件下提供高电子迁移率（见表2）。此外，SiC和GaN都具有较高的临界场值，从而防止击穿，降低漏电流。GaN的热导率高（300 K时，约为硅热导率的3.5倍）、电场击穿强度高（是硅的12倍）和带隙宽（是硅的3倍），使其成为高温、高功率和高频环境下的理想材料。
GaN成为制造高功率、快速开关场效应晶体管的理想材料，场效应晶体管被驱动后，允许电流同时通过四个高功率激光通道，从而在短脉冲时间内获得所需的480 W的光功率。
表2：常见场效应晶体管衬底材料特性对比

用于高强度 LED 前照灯时，GaN 技术可提高效率，改善热管理并降低系统成本。而更高的开关频率允许在 AM 波段以上工作并降低 EMI。综合来看，GaN 在汽车电子方面拥有丰富的应用场景

在常用半导体工艺中，CMOS 低功耗、高集成度、低成本等优势显著。SiGe 工艺兼容性优势突出，几乎能与硅半导体超大规模集成电路行业中的所有新工艺技术兼容。GaAs 在高功率传输领域具有优异的物理性能。
GaN 在高温、高频、大功率射频组件应用独具优势。基于功耗和成本等因素，消费终端产品明显更多采用 CMOS技术；CPE 采用 CMOS 和 SiGe BiCMOS；低功耗接入点则采用 CMOS、SiGe BiCMOS 和 GaAs；而高功率基站领域则是 GaAs 和 GaN 的天下。

GaN 非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽，可满足性能和小尺寸要求。使用 mmWave 频段的应用将需要高度定向的波束成形技术，这意味着射频子系统将需要大量有源元件来驱动相对紧凑的孔径。GaN 非常适合这些应用，因为小尺寸封装的强大性能是 GaN 最显著的特征之一。

在高功率放大器方面，LDMOS 技术由于其低频限制只在高射频功率方面取得了很小进展。GaAs 技术能够在 100GHz 以上工作，但其低导热率和工作电压限制了其输出功率水平。50V GaN/SiC 技术在高频下可提供数百瓦的输出功率，并能提供雷达系统所需的坚固性和可靠性。HV GaN/SiC 能够实现更高的功率，同时可显著降低射频功率晶体管的数量、系统复杂性和总成本。

GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的约20亿美元，这主要受电信基础设施和国防两个方向应用推动，卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定贡献。

随着新的基于GaN的有源电子扫描阵列（AESA）雷达系统的实施，基于GaN的军用雷达预计将主导GaN军事市场，从2018年的2.7亿美元增长至2024年的9.77亿美元，CAGR达23.91％，具有很大的增长潜力。

GaN 射频市场：美日统治，欧洲次之，中国新进

据 Yole 统计，2019 年全球 3750 多项专利一共可分为 1700 多个专利家族。这些专利涉及 RF GaN 外延、RF半导体器件、集成电路和封装等。GaN RF HEMT 相关专利领域的新进入者主要是中国厂商，例如 HiWafer（海威华芯），三安集成、华进创威。

多年来，功率GaN器件领域一直由EPC、GaN Systems、Transphorm和Navitas等纯GaN初创公司主导，他们采用了代工模式，主要和台积电（TSMC）、Episil或X-FAB合作。
随着GaN市场的兴起，越来越多的厂商开始涌入。近来，Innoscience、SanaIC和IGSS GaN等新代工厂也跨入功率GaN器件市场以提供服务。同时，英飞凌（Infineon）、松下（Panasonic）和德州仪器（Texas Instruments）等电力电子和电源管理IDM也在加强其产品组合。