5G绝配，充电必备，“氮化镓”如何撩起雷军的“镓”国梦
“我特别特别喜欢这个GaN（氮化镓）充电器，摄影师来多拍几张照片。”在小米10手机的在线发布会上，雷军丝毫没有掩饰对小米GaN充电器的喜爱。
小巧、高效、发热低，是雷军给予小米GaN充电器的评价。小米GaN充电器虽然个头比常规充电器小了近一半，但充电速度一点不含糊。
充满4500mAh手机电池仅需45分钟，为iPhone 11充电也比苹果原装充电器快50%。同时，还可为市面上主流笔记本电脑和手机充电。
小米打出GaN牌后，“友商们”纷纷跟进。
realme在真我X50 Pro发布会上，官宣全系标配GaN充电器，华为、三星、苹果等均释放出将使用GaN充电设备的信号。
除了手机产业链，GaN也受到资本市场的追捧，A股相关产业链上市公司近来表现强势。
出圈后的氮化镓，是一项“黑科技”，还是一个“新物种”？
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01
GaN是新物种吗？
氮化镓的分子式为GaN，是半导体行业内公认的一种第三代半导体材料。
芯片内部的氮化镓（GaN）和化学式结构，来源/Verge Science 维基百科
与硅（Si）、砷化镓（GaAs）为代表的第一、二代半导体材料相比，GaN具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压以及更快的饱和电子漂移速率等物理性质。
虽然近来GaN的热度和呼声很高，但事实上这种材料并非新生物种。
中微半导体设备有限公司技术负责人刘英斌告诉《IT时报》记者，早在100多年前GaN就被发现了，在二十世纪90年代被日本日亚公司用于制作蓝光LED。
不过受限于当时的制程工艺，GaN并没有被广泛运用。
2014年，中村修二、赤崎勇和天野浩因发明“高亮度蓝色发光二极管”获得2014年诺贝尔物理学奖，图片为中村修二和利用GaN制作的蓝光二极管，来源/维基百科
物质的性质，决定了它的用途。目前，GaN的应用主要集中在功率、光电和射频等领域。
电子创新网CEO张国斌表示，GaN的材料优势有很多，既能大幅降低功耗，又可以缩小体积，“氮化镓最大的特点是耐高压高温，损耗小，600V以下未来将是氮化镓的地盘。”
在刘英斌看来，SiC（碳化硅）和GaN虽同处于第三代半导体材料的第一梯队，但适用领域有所区别，“GaN更适合高频高温的射频领域，SiC则适合电子电力领域，包括新能源电池、直交流电变换、变频变速等。”
GaN更适合高频高温的射频领域，SiC则适合电子电力领域，图片来源/英飞凌
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02
GaN充电器或将成标配
氮化镓是自然界没有的物质，需要靠人工合成。
刘英斌指出，氮化镓单晶的合成对反应条件要求苛刻，难度特别大，“在10000个大气压、2000度高温下，合成的氮化镓单晶只能达到研究水平。”
氮化镓单晶，图片来源/Gallium nitride wafer
氮化镓单晶材料成本很高，2英寸售价就高达每片万元以上。
因此，商业方案中使用更多的是氮化镓异质外延片。蓝宝石、碳化硅和硅是目前主要的氮化镓外延片异质衬底材料。
晶圆的制作一般包括衬底制备和外延工艺两大环节。
在氮化镓单晶衬底上长氮化镓我们称为同质外延，在其他材料衬底上长氮化镓我们称为异质外延片，目前商业方案中使用更多的是氮化镓异质外延片，图为4英寸蓝宝石衬底氮化镓晶圆，图片来源/苏州纳维科技有限公司
其中蓝宝石基氮化镓广泛被用来做LED，硅基氮化镓用来做功率器件，碳化硅基氮化镓广泛用于射频领域。
本次小米发售的快充头，就是硅基氮化镓用于功率器件的一个典型应用场景。
刘英斌透露，不同衬底的氮化镓外延片售价也有所不同，蓝宝石衬底工艺最为成熟，4英寸的外延片只需100多元，而碳化硅基则至少贵几十倍。
氮化镓单晶生产企业苏州纳维科技有限公司一工作人员告诉《IT时报》记者，其公司生产的氮化镓产品规格有2~4英寸，目前在售主力产品为2英寸，单片售价在1万〜2万元之间，4英寸产品多用于展示，“炫技”的成分更多。
中信证券报告称，随着用户对充电器通用性、便携性的需求提高，未来GaN快充市场规模将快速上升。
预计2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元，2025年将快速上升至638亿元，5年复合年均增长率高达94％。
同时，综合性能和成本两个方面，GaN也有望在未来成为消费电子领域快充器件的主流选择。
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03
GaN与5G是绝配
当然，充电市场只是GaN应用的“冰山一角”。
凭借出色的功率性能、频率性能以及散热性能，GaN还可用于5G基站、电力系统、自动驾驶等众多功率和频率有较高要求的场合。其中，GaN与5G的结合堪称绝配。
张国斌也表示，射频放大器会大量用到氮化镓，氮化镓在射频领域也很热门。
射频电路中的一个关键组成是PA（Power Amplifier，功率放大器），从目前的应用上看，功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器（CMOS PA）组成，其中又以砷化镓PA为主流。
尽管氮化镓、砷化镓和磷化铟（InP）是射频应用中常用的半导体材料，但与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和碳化硅等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。
这意味着，采用氮化镓材料的5G器件瞬时带宽更高，更直白地说，如果5G基站中的射频器件大规模使用氮化镓器件后，5G用户的上网速度将得到进一步提升和保障。
更为重要的是，5G射频收发单元阵列中，一个5G基站常常拥有100多根天线，射频器件数量大量增加，所以器件的尺寸显得尤为重要。
基站天线，图片来源/piqsels
GaN尺寸小、效率高、功率密度大，是实现高集成化的不二选择。
调研机构Yole认为，2022年氮化镓功率器件的市场规模为4.62亿美元。而在5G基站等建设的拉动下，到2024年氮化镓射频器件市场规模有望突破20亿美元。
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04
巨头开始布局GaN
在广阔前景的召唤下，GaN产业链包括上游的材料（衬底和外延）、中游的器件和模组、下游的系统和应用等均将受益。
半导体产业链流程，图片来源/半导体观察
根据RESEARCHANDMARKETS预测，氮化镓器件市场预计至2023年将增长至224.7亿美元。
巨头的布局已然在全面展开。
据悉，氮化镓硅基衬底主要供应商有德国世创、日本信越化学、日本胜高等。
日本电信公司研究所、英国IQE和比利时的EpiGaN等则是硅基氮化镓外延片的主要供应商。
Bridg、富士通、台积电等主要从事功率氮化镓器件代工制造。
日前，台积电与ST意法半导体宣布，双方将合作加速GaN制程技术的开发，华虹宏力方面也向记者表示“密切关注GaN”。
“在氮化镓产业布局上，尽管国外厂商比较多，但好在国内厂商落得不是很靠后，很多企业已经介入，在产业链上下游都有布局。”
张国斌还表示，目前所要面对的困难主要有两点，一是氮化镓制作难度比较大，成品率不是很理想；二是氮化镓成本比较高，比硅基的半导体材料要贵很多，但随着未来大规模普及，成本肯定会降下来的。
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作者／IT时报记者 李玉洋
编辑／挨踢妹
图片／网络
来源／《IT时报》公众号vittimes
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