功率市場游戲規(guī)則要變天，GaN工藝：中國準備好了嗎？

熱點事件回顧：GaN 工藝進入消費市場

2020 年 2 月 13 日，小米在年度旗艦手機小米 10 發(fā)布會上同步發(fā)布了一款 Type-C 65W 快速充電器，單獨售價 149 元。這款充電器采用了 GaN（氮化鎵）工藝，具有效率高、發(fā)熱低、功率高、體積小、重量輕等優(yōu)點。

關(guān)于這款充電器，小米董事長兼 CEO 雷軍如是說，“我以前是碼農(nóng)，當時每天都背著筆記本電腦，最恨帶“鐵疙瘩”充電器，又丑又大又重?？纯唇裉斓?GaN 充電器，唇膏大小，實在太方便?！蔽蚁脒@可能是最應(yīng)市場需求的一句話了，不僅是碼農(nóng)，出差常客也會很喜歡吧。

但作為一名攻城獅，腦海中很自然地浮現(xiàn)出三個問題：

問題一：這個采用 GaN 工藝的充電器和我們平常使用的充電器到底有多大區(qū)別？

于是我通過搜索，制作了這張對比表，供和我有一樣疑問的同學更直觀地看出對比度。

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問題二：這個 GaN 工藝具體應(yīng)用點指的是什么？是外殼？是控制 IC？是功率 IC？還是整個充電器模塊？

通過進一步的信息檢索，我了解到了這款小米充電器之所以被稱為 GaN 快速充電器，主要是因為其內(nèi)部配備了來自納微半導體的兩款 NV6115、NV6117 GaNFast 功率 IC，這兩款 IC 針對高頻軟開關(guān)拓撲進行了優(yōu)化，同時又將集成場效應(yīng)晶體管、驅(qū)動器以及邏輯電路進行了單片集成，因此具有集成度高、體積小、轉(zhuǎn)換效率高且非常易于系統(tǒng)設(shè)計使用的特點。

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NV6117 | 信息源：Navitas

問題三：大部分消費者都有一種首次接觸 GaN 概念的感覺，那么發(fā)布基于 GaN 工藝的快充產(chǎn)品，小米是第一個吃螃蟹的人嗎？

非也，就快充產(chǎn)品而言，去年 11 月，OPPO 就曾在“超玩大會”上發(fā)布過一款 GaN 充電器，采用的是本土廠商富滿電子的充電技術(shù)；放眼國外，Anker、Ravpower 和 Hyperjuice 等都推出過 GaN 快速充電器。此外，據(jù)小米 GaN 方案商納微半導體方面表示，繼小米之后，今年陸續(xù)幾家與小米同等規(guī)模的廠商，將發(fā)布 GaN 電源適配器。

如果跳出快充領(lǐng)域，那就更加顯著了，舉個典型“栗子”：國外全 GaN 車都造出來了。在 2019 年 10 月的東京車展上，由日本名古屋大學未來材料與系統(tǒng)研究所和豐田先進電力電子研究部門共同開發(fā)，GaN 在電動車領(lǐng)域的多種應(yīng)用被展示了出來，比如 GaN 牽引逆變器、GaN DC-DC 轉(zhuǎn)換器、GaN 車載充電器和 GaN LED 照明等。據(jù)可靠消息稱，在使用了 GaN 工藝后，逆變器效率提高了 20%，DC-DC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)尺寸減小了 75%，夜間駕駛時照明效果更佳，LED 壽命更長。

什么是 GaN 工藝？

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信息源:eastday

發(fā)布會上，小米董事長兼 CEO 雷軍表示：“氮化鎵是一種新型半導體材料，做出的充電器體積特別小，充電效率卻特別高?！?。

那么 GaN 到底是一種什么樣的神奇工藝呢？下面我們一起來了解一下吧。

GaN是英文 Gallium nitride 的縮寫，是一種化合物的分子式，中文名稱氮化鎵。它的結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，熔點約為 1700℃，硬度很高，能隙很寬，高達 3.4 電子伏特，是一種直接能隙的半導體，起初用于發(fā)光二極管中，后應(yīng)用領(lǐng)域被拓寬至高功率、高速的光電元件和功率元器件中。

此外，在半導體材料中，我們一般將硅（Si）、鍺（Ge）等基礎(chǔ)性傳統(tǒng)半導體視為第一代半導體材料，砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等半導體視為第二代半導體材料，而將氮化鎵(GaN)和碳化硅（SiC）等寬禁帶半導體視為第三代半導體材料。采用不同的半導體材料制備的器件會由于材料物理、化學和電學特性的不同而呈現(xiàn)不同的性能特色。

不過我覺得上面的描述都不夠觸及心底，而我最欣賞的則是下面這段解釋：“第一代半導體是硅，主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲的問題；第二代半導體是以砷化鎵為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸的問題；第三代半導體以氮化鎵為代表，它在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各大領(lǐng)域。” 它出自蘇州納維董事長徐科之口。

GaN 工藝好在哪里？相對的，缺點又有哪些？

首先，無論是優(yōu)點還是缺點都是在對比之下才會凸顯出來，因此我們要知道 GaN 的優(yōu)點，就要與第一代、第二代半導體材料和第三代除 GaN 外的其他半導體材料進行對比。其次，我們要明確對比參數(shù)有哪些，這里就要厘清對于半導體材料而言，哪些性能參數(shù)是最主要的。最后分析這些參數(shù)，歸納特點的具體表現(xiàn)形式。

下面我們一一來解答，通過前一章節(jié)的介紹，我們已經(jīng)對第一代、第二代半導體材料有了初步印象，那我們就選擇其中最典型的 Si、GaAs、SiC 與 GaN 進行對比，對比參數(shù)選擇帶隙能量、臨界擊穿電場、電子遷移率、飽和漂移速度和導熱率，具體數(shù)值如下表所示：

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主要參數(shù)對比 | 信息源：cnki

透過表中的數(shù)值，我們了解到對比第一代 Si 材料，GaN 每一項性能都要來得更好；對比第二代 GaAs 材料，GaN 具有帶隙能量高、臨界擊穿電場高、飽和漂移速度高和導熱率高的優(yōu)勢；對比第三代 SiC 材料，GaN 具有電子遷移率高和飽和漂移速度高的優(yōu)勢。

此外，對比前兩代半導體材料，GaN 還具有工作溫度高、低熱阻、抗輻射能力強、硬度高等優(yōu)點。

接下來，我們就要進一步了解特點的具體表現(xiàn)形式了，這樣我們才能知道這些參數(shù)的背后意味著什么？我們一點一點來：

??? ?帶隙能量：帶隙能量越高，載流子速度就越快，導通電阻就越??；

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??? ?臨界擊穿電場：臨界擊穿電場越高，耐壓水平越高；

??? ?電子遷移率：電子遷移率越高，開關(guān)速度越快；

??? ?飽和漂移速度：電子飽和漂移速度越高，高頻特性就越好，越適合高頻開關(guān)場合；

??? ?導熱率：導熱率越高，熱阻就越小，就更適于高溫環(huán)境，同時還可以簡化冷卻系統(tǒng)；

??? ?抗輻射能力：行輻射能力強，適合在衛(wèi)星、太空探測和核反應(yīng)堆等輻射環(huán)境中的應(yīng)用；

??? ?硬度：硬度高，更便于元器件的大功率集成。

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信息源：cnki

補充理解：禁帶寬度越大，擊穿電場強度越高，就意味著在耐壓相同的條件下，裸片體積就越小，于是寄生電容就相應(yīng)變小了，這一點也有助于開關(guān)速度的提高。

此外，對于同樣是第三代半導體材料的 SiC，這里不作詳細描述，如想了解更多，可給我們留言，我們將會另開一文作詳細介紹。但在這里還是要明確一點，由于 SiC 的導熱率和耐壓水平更佳，因此常用在高壓大電流的場合；而相對的，GaN 的電子遷移率更高，開關(guān)過程更快，因此常用于高頻開關(guān)場合；假如是高頻大功率場合，那么鑒于 GaN 具有比 SiC 更好的高頻性能和更高的功率品質(zhì)因子，應(yīng)用前景會相對好一些。

說了這么多優(yōu)點，也該說說缺點了。技術(shù)層面，GaN 高濃度的 p 型摻雜時容易出現(xiàn)晶體質(zhì)量變差和外延表面變差的現(xiàn)象，到今天為止，GaN 仍主要使用 6 英寸及以下晶圓生產(chǎn)，因此對于 GaN 材料生長和器件工藝來說難度將會大大高于 Si 材料；市場層面，原材料昂貴是 GaN 的一大缺點（SiC 更貴），也是限制其消費市場普及的一大制約因素。

透過熱點事件：GaN 工藝的拐點到了？

自從小米發(fā)布了這款“GaN 65W 快速充電器”，“GaN 工藝的拐點到了”的聲音就一直不斷。大家的依據(jù)是：像小米這樣的“價格屠夫”都開始推 GaN 工藝的消費品了，一方面印證了 GaN 工藝的成熟化，另一方面告訴我們 GaN 芯片的設(shè)計、制造成本已經(jīng)降到了消費者可以接受的程度，而這個利惠會隨著 GaN 產(chǎn)量的擴大而不斷加大。

據(jù)市場研究機構(gòu) Yole Développement 預(yù)測，從 2018 年至 2024 年，GaN 功率器件的年復(fù)合增長率將達到 85％，到 2024 年，其市場價值將超過 3.5 億美元；樂觀情況下，將超過 7.5 億美元。

如今 GaN 功率器件的“大火”，代表了 GaN 功率器件進入高容量智能手機市場的第一個里程碑。而像小米這樣的移動設(shè)備廠商，很有可能成為 GaN 電源市場真正的游戲規(guī)則改變者。

不過，就我個人而言，我對這樣的觀點持保留意見。一方面，我完全相信小米在手機電源快充市場的帶動力；另一方面，而相比移動、可穿戴設(shè)備快充市場，我認為 GaN 的普及可能還要更多地借助于汽車電子和 5G 市場的進一步滲透。對于汽車電子市場來說，期待 IGBT 的競爭者久矣，是一塊處處能施展 GaN 優(yōu)勢的寶地，前面章節(jié)中所說的全 GaN 車的推出已可見一斑；對于 5G 市場來說，基站的建設(shè)對 GaN 價格的敏感度相對較低，而其寬帶、高頻特性、高轉(zhuǎn)換率和高導熱率卻是剛需；此外 5G 移動設(shè)備中射頻功率放大器等器件對 GaN 優(yōu)良的高頻特性也是覬覦已久。

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基站射頻 PA 技術(shù)路線比較 | 信息源：wind

面對機遇與挑戰(zhàn)，本土芯片廠商都準備好了嗎？

對于 GaN 的布局，可以說是全球都比較晚，量產(chǎn)實例不多，而中國就更晚了。如果將 GaN 產(chǎn)業(yè)從產(chǎn)業(yè)鏈的角度進行分類，那么大致可以分為 GaN 材料廠商、GaN 元器件模組設(shè)計制造商和 GaN 終端設(shè)備系統(tǒng)商。下面我們按照順序一一展開介紹：

??? ?GaN 材料廠商（上游）

就 GaN 材料市場而言，據(jù) RESEARCH AND MARKETS 預(yù)測，2022 年全球 GaN 襯底市場規(guī)模將達到 64 億元，2017 至 2022 年的年復(fù)合增長率為 34％。

從技術(shù)的角度來看 GaN 材料，我們可以分為襯底和外延兩大部分，目前這兩個技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊都是歐美日，比如德國世創(chuàng)、日本信越化學、日本勝高是氮化鎵硅基襯底的主要供應(yīng)商，日本電信公司研究所、英國 IQE 和比利時的 EpiGaN 則是硅基氮化鎵外延片的主要供應(yīng)商。相對的，我國對于 GaN 產(chǎn)業(yè)的布局較晚，再加上技術(shù)門檻較高，直至 2018 年才有了國內(nèi)首個《第三代半導體電力電子技術(shù)路線圖》。不過這些年，那些國產(chǎn)科技巨頭們也不是那么閑著，一部分終端廠商選擇以投資的形式提前布局，比如本文開頭所說的小米就是，早在幾年前就已入股投資納微半導體；另一部分材料原廠則選擇自主創(chuàng)新，如今也有所成績，比如 GaN 襯底廠商蘇州納維、東莞中鎵，GaN 外延廠商蘇州晶湛、聚能晶源等。

蘇州納維

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信息源：nanowin

蘇州納維科技有限公司成立于 2007 年 5 月，公司以中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所為技術(shù)依托，專注于從事氮化鎵襯底晶片及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，提供各類氮化鎵材料，目前公司擁有核心技術(shù)專利近二十項，是中國首家氮化鎵襯底晶片供應(yīng)商。

東莞中鎵

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信息源：sinonitride

東莞市中鎵半導體科技有限公司成立于 2009 年 1 月，主營產(chǎn)品包括：氮化鎵（GaN）半導體襯底材料，GaN/AI2O3 復(fù)合襯底、GaN 單晶襯底及氫化物氣相外延設(shè)備（HVPE）等，主要應(yīng)用于 MiniLED& MicroLED、車燈、激光器、功率器件、射頻器件。目前已建成國內(nèi)首家專業(yè)的氮化鎵（GaN）襯底材料生產(chǎn)線，制備出厚度達 1100 微米的自支撐 GaN 襯底，并能夠穩(wěn)定生產(chǎn)。

蘇州晶湛

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信息源：enkris

蘇州晶湛半導體有限公司成立于 2012 年 3 月，從事第三代半導體關(guān)鍵材料——氮化鎵（GaN）外延材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。蘇州晶湛是全球首家發(fā)布并其商業(yè)化的 8 英寸硅基氮化鎵產(chǎn)品，經(jīng)下游客戶驗證，該 GaN 材料具備全球領(lǐng)先的技術(shù)指標和卓越的性能，并填補了國內(nèi)乃至世界氮化鎵產(chǎn)業(yè)的空白，目前已擁有全球超過 150 家的著名半導體公司、研究院所客戶。

聚能晶源

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信息源：genettice

聚能晶源（青島）半導體材料有限公司成立于 2018 年 5 月，是一家從事第三代半導體氮化鎵從材料生長到器件設(shè)計、制造的解決方案商。去年 9 月，公司發(fā)布了多系列 6-8 英寸 GaN 外延晶圓產(chǎn)品，包括 8 英寸 AlGaN/GaN-on-Si 外延晶圓、8 英寸 P-cap AlGaN/GaN-on-Si 外延晶圓等。在硅基氮化鎵之外，聚能晶源還擁有 AlGaN/GaN-on-SiC 外延晶圓產(chǎn)品線，可滿足客戶在碳化硅基氮化鎵外延材料方面的需求。

??? ?GaN 元器件模組設(shè)計制造商（中游）

就 GaN 元器件、模組市場而言，據(jù)調(diào)研機構(gòu) RESEARCH AND MARKETS 預(yù)測，氮化鎵器件市場預(yù)計至 2023 年將增長至 224.7 億美元。而占據(jù)市場主流位置的依然是歐美日企業(yè)，比如 CREE、富士通、英飛凌、住友電工、納微半導體、NXP、MACOM、IR、EPC 等等。同樣的，在元器件和模組層面，我們認識到差距的客觀存在，因此本土企業(yè)也在加速布局，目前在 GaN 元器件設(shè)計制造領(lǐng)域已有聞泰科技、士蘭微、華潤微、揚杰科技、蘇州能訊高能、海特高新、能華微電子、富滿電子等，代工領(lǐng)域有三安光電、海威華芯等。由于篇幅原因，下面選幾個作簡要介紹。

聞泰科技

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信息源：nexperia

聞泰科技收購的安世半導體是全球功率半導體器材龍頭，已推出了用于工業(yè)電源、逆變器、轉(zhuǎn)換器、汽車牽引逆變器和車載充電器和轉(zhuǎn)換器等場景的氮化鎵效應(yīng)晶體管(GanFET)。目前，其車載 GaN 已經(jīng)量產(chǎn)，全球最優(yōu)質(zhì)的氮化鎵供應(yīng)商之一。

士蘭微

信息源：Silan

杭州士蘭微電子股份有限公司是一家專業(yè)從事集成電路以及半導體微電子相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)與銷售的高新技術(shù)企業(yè)。其旗下的 4/6 英寸兼容先進化合物半導體器件生產(chǎn)線項目主體廠房即將進入竣工驗收階段，公司的氮化鎵和砷化鎵芯片也都已通線點亮。該生產(chǎn)線主要產(chǎn)品包括下一代光通訊模塊芯片、5G 與射頻相關(guān)模塊、高端 LED 芯片等產(chǎn)品。

蘇州能訊高能

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信息源：dynax-semi

蘇州能訊高能半導體有限公司是由海外歸國人員創(chuàng)辦的高新技術(shù)企業(yè)，作為中國氮化鎵產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，能訊半導體采用了整合設(shè)計與制造（IDM）的商業(yè)模式，自主開發(fā)了氮化鎵材料生長、芯片設(shè)計、晶圓工藝、封裝測試、可靠性與應(yīng)用電路技術(shù)，實現(xiàn)了第三代半導體氮化鎵高能效功率半導體材料與器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品應(yīng)用涵括了 5G 移動通訊、寬頻帶通信等射頻微波領(lǐng)域和工業(yè)控制、電源、電動汽車等電力電子領(lǐng)域等兩大領(lǐng)域。

海特高新

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信息源：hiwafer

四川海特高新技術(shù)股份有限公司是一家主要從事航空機載設(shè)備的檢測、維護、修理及支線飛機、直升機及公務(wù)機中小型發(fā)動機的維修，航空技術(shù)及軟件開發(fā)，航空機載設(shè)備及航空測試設(shè)備的研制和銷售業(yè)務(wù)的公司?，F(xiàn)已建成大陸首條第二代 / 第三代半導體產(chǎn)線，部分產(chǎn)品現(xiàn)已開端量產(chǎn)，其旗下控股子公司海威華芯的 GaN 工藝已成功突破 6 英寸 GaN 晶圓鍵合技術(shù)。

能華微電子

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信息源：天眼查

江蘇能華微電子的"科能芯"系列由在氮化鎵功率外延片、器件設(shè)計、工藝流程及封裝技術(shù)領(lǐng)域有著卓越專業(yè)貢獻一批同路人開創(chuàng)的，公司主要從事氮化鎵功率器件系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)以及制造。

富滿電子

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信息源：superchip

深圳市富滿電子集團股份有限公司創(chuàng)立于 2001 年，是一家從事高性能模擬及數(shù)模混合集成電路設(shè)計研發(fā)、封裝、測試和銷售的國家級高新技術(shù)企業(yè)。目前擁有電源管理、LED 驅(qū)動、MOSFET 等涉及消費領(lǐng)域 IC 產(chǎn)品四百余種，曾與 OPPO 合作研發(fā) GaN 技術(shù)的充電器。

三安光電

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信息源：sanan-e

三安光電是傳統(tǒng)照明 LED 芯片巨頭，是一家專門從事化合物半導體制造的代工廠，服務(wù)于射頻、毫米波、功率電子和光學市場，具備 襯底材料、外延生長以及芯片制造的產(chǎn)業(yè)整合能力。2019 年公司實現(xiàn)了深紫外 LED 芯片量產(chǎn)，其 Mini/Micro LED 研發(fā)基地正在建設(shè)中，建成后，該基地將用于 GaN 和 GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 4K 顯示器的研發(fā)。而目前，據(jù)三安光電表示，公司集成電路氮化鎵產(chǎn)品正處在產(chǎn)能擴張狀態(tài)。

??? ?GaN 終端設(shè)備系統(tǒng)商（下游）

對于 GaN 終端這各板塊來說，太寬泛了。眾所周知，GaN 的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括三大塊，分別是：micro-LED、GaN Power（GaN 功率器件） 和 GaN RF（GaN 射頻器件），而這三個方向上的設(shè)備、系統(tǒng)商都有可能會采用 GaN 元器件或模組。

就 micro-LED 領(lǐng)域而言，國外在應(yīng)用領(lǐng)域布局已比較成熟，包括 Apple、Sony 與 Lumiode 等，而國內(nèi)產(chǎn)業(yè)還停留在上游和中游，不過隨著物聯(lián)網(wǎng)和 5G 的普及，相信其滲透率會不斷上升。

就 GaN Power 領(lǐng)域而言，下游主要有汽車電子廠商、智能移動設(shè)備廠商等，比如汽車領(lǐng)域的 Toyota Motor，電源快充領(lǐng)域的小米、OPPO、三星、ANKER、RAVpower、AUKEY、ELIXAGE 等，未來將會遍地開花。
就 GaN RF 領(lǐng)域而言，下游主要有 5G 通信設(shè)備商、傳感器廠商、國防雷達和通信設(shè)備商等，比如 5G 通信領(lǐng)域的華為、三星。

寫在最后

GaN 的時代即將帶來，雖然本土產(chǎn)業(yè)鏈和國外在技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品成熟度上還存在差距，但面對這塊大蛋糕，我們已有上、中游的強有力支撐，我們還將擁有下游發(fā)展最寶貴的市場需求，因此我想說：這次，中國已經(jīng)準備好了。?

《小彩蛋》

有網(wǎng)友擔心：充電器功率這么高，電池能否頂?shù)米?？會加劇安全事件的發(fā)生概率嗎？

其實，快充的方式無非就是三種，第一種保持電壓不變，提高電流；第二種保持電流不變，提高電壓；第三種電流、電壓都提高，但具體提高多少需要由廠商自己來作一個平衡。當我們采用原裝的快充設(shè)備對電池進行充電時，阻抗匹配和電流、電壓的控制都是可以得到保障的，這也是出廠測試后的結(jié)果，此時不會加劇電池安全事件的發(fā)生概率。但假設(shè)你使用一個山寨充電器對手邊隨意一個接口匹配的設(shè)備進行充電，那就不能保證了。

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