“我特別特別喜歡這個GaN（氮化鎵）充電器，攝影師來多拍幾張照片。”在小米10手機的線上釋出會上，雷軍絲毫沒有掩飾對小米GaN充電器的喜愛。
小巧、高效、發熱低，是雷軍給予小米GaN充電器的評價。小米GaN充電器雖然個頭比常規充電器小了近一半，但充電速度一點不含糊。
充滿4500mAh手機電池僅需45分鐘，為iPhone 11充電也比蘋果原裝充電器快50%。同時，還可為市面上主流膝上型電腦和手機充電。
小米打出GaN牌後，“友商們”紛紛跟進。
realme在真我X50 Pro釋出會上，官宣全系標配GaN充電器，華為、三星、蘋果等均釋放出將使用GaN充電裝置的訊號。
除了手機產業鏈，GaN也受到資本市場的追捧，A股相關產業鏈上市公司近來表現強勢。
出圈後的氮化鎵，是一項“黑科技”，還是一個“新物種”？
01
GaN是新物種嗎？
氮化鎵的分子式為GaN，是半導體行業內公認的一種第三代半導體材料。
晶片內部的氮化鎵（GaN）和化學式結構，來源/Verge Science 維基百科
與矽（Si）、砷化鎵（GaAs）為代表的第一、二代半導體材料相比，GaN具有更寬的禁頻寬度、更高的擊穿電壓以及更快的飽和電子漂移速率等物理性質。
雖然近來GaN的熱度和呼聲很高，但事實上這種材料並非新生物種。
中微半導體裝置有限公司技術負責人劉英斌告訴《IT時報》記者，早在100多年前GaN就被發現了，在二十世紀90年代被日本日亞公司用於製作藍光LED。
不過受限於當時的製程工藝，GaN並沒有被廣泛運用。
2014年，中村修二、赤崎勇和天野浩因發明“高亮度藍色發光二極體”獲得2014年諾貝爾物理學獎，圖片為中村修二和利用GaN製作的藍光二極體，來源/維基百科
物質的性質，決定了它的用途。目前，GaN的應用主要集中在功率、光電和射頻等領域。
電子創新網CEO張國斌表示，GaN的材料優勢有很多，既能大幅降低功耗，又可以縮小體積，“氮化鎵最大的特點是耐高壓高溫，損耗小，600V以下未來將是氮化鎵的地盤。”
在劉英斌看來，SiC（碳化矽）和GaN雖同處於第三代半導體材料的第一梯隊，但適用領域有所區別，“GaN更適合高頻高溫的射頻領域，SiC則適合電子電力領域，包括新能源電池、直交流電變換、變頻變速等。”
GaN更適合高頻高溫的射頻領域，SiC則適合電子電力領域，圖片來源/英飛凌
02
GaN充電器或將成標配
氮化鎵是自然界沒有的物質，需要靠人工合成。
劉英斌指出，氮化鎵單晶的合成對反應條件要求苛刻，難度特別大，“在10000個大氣壓、2000度高溫下，合成的氮化鎵單晶只能達到研究水平。”
氮化鎵單晶，圖片來源/Gallium nitride wafer
氮化鎵單晶材料成本很高，2英寸售價就高達每片萬元以上。
因此，商業方案中使用更多的是氮化鎵異質外延片。藍寶石、碳化矽和矽是目前主要的氮化鎵外延片異質襯底材料。
晶圓的製作一般包括襯底製備和外延工藝兩大環節。
在氮化鎵單晶襯底上長氮化鎵我們稱為同質外延，在其他材料襯底上長氮化鎵我們稱為異質外延片，目前商業方案中使用更多的是氮化鎵異質外延片，圖為4英寸藍寶石襯底氮化鎵晶圓，圖片來源/蘇州納維科技有限公司
其中藍寶石基氮化鎵廣泛被用來做LED，矽基氮化鎵用來做功率器件，碳化矽基氮化鎵廣泛用於射頻領域。
本次小米發售的快充頭，就是矽基氮化鎵用於功率器件的一個典型應用場景。
劉英斌透露，不同襯底的氮化鎵外延片售價也有所不同，藍寶石襯底工藝最為成熟，4英寸的外延片只需100多元，而碳化矽基則至少貴幾十倍。
氮化鎵單晶生產企業蘇州納維科技有限公司一工作人員告訴《IT時報》記者，其公司生產的氮化鎵產品規格有2~4英寸，目前在售主力產品為2英寸，單片售價在1萬2萬元之間，4英寸產品多用於展示，“炫技”的成分更多。
中信證券報告稱，隨著使用者對充電器通用性、便攜性的需求提高，未來GaN快充市場規模將快速上升。
預計2020年全球GaN充電器市場規模為23億元，2025年將快速上升至638億元，5年複合年均增長率高達94％。
同時，綜合性能和成本兩個方面，GaN也有望在未來成為消費電子領域快充器件的主流選擇。
03
GaN與5G是絕配
當然，充電市場只是GaN應用的“冰山一角”。
憑藉出色的功率效能、頻率效能以及散熱效能，GaN還可用於5G基站、電力系統、自動駕駛等眾多功率和頻率有較高要求的場合。其中，GaN與5G的結合堪稱絕配。
張國斌也表示，射頻放大器會大量用到氮化鎵，氮化鎵在射頻領域也很熱門。
射頻電路中的一個關鍵組成是PA（Power Amplifier，功率放大器），從目前的應用上看，功率放大器主要由砷化鎵功率放大器和互補式金氧半導體功率放大器（CMOS PA）組成，其中又以砷化鎵PA為主流。
儘管氮化鎵、砷化鎵和磷化銦（InP）是射頻應用中常用的半導體材料，但與砷化鎵和磷化銦等高頻工藝相比，氮化鎵器件輸出的功率更大；與LDCMOS和碳化矽等功率工藝相比，氮化鎵的頻率特性更好。
這意味著，採用氮化鎵材料的5G器件瞬時頻寬更高，更直白地說，如果5G基站中的射頻器件大規模使用氮化鎵器件後，5G使用者的上網速度將得到進一步提升和保障。
更為重要的是，5G射頻收發單元陣列中，一個5G基站常常擁有100多根天線，射頻器件數量大量增加，所以器件的尺寸顯得尤為重要。
基站天線，圖片來源/piqsels
GaN尺寸小、效率高、功率密度大，是實現高整合化的不二選擇。
調研機構Yole認為，2022年氮化鎵功率器件的市場規模為4。62億美元。而在5G基站等建設的拉動下，到2024年氮化鎵射頻器件市場規模有望突破20億美元。
04
巨頭開始佈局GaN
在廣闊前景的召喚下，GaN產業鏈包括上游的材料（襯底和外延）、中游的器件和模組、下游的系統和應用等均將受益。
半導體產業鏈流程，圖片來源/半導體行業觀察
根據RESEARCHANDMARKETS預測，氮化鎵器件市場預計至2023年將增長至224。7億美元。
巨頭的佈局已然在全面展開。
據悉，氮化鎵矽基襯底主要供應商有德國世創、日本信越化學、日本勝高等。
日本電信公司研究所、英國IQE和比利時的EpiGaN等則是矽基氮化鎵外延片的主要供應商。
Bridg、富士通、臺積電等主要從事功率氮化鎵器件代工製造。
日前，臺積電與ST意法半導體宣佈，雙方將合作加速GaN製程技術的開發，華虹宏力方面也向記者表示“密切關注GaN”。
“在氮化鎵產業佈局上，儘管國外廠商比較多，但好在國內廠商落得不是很靠後，很多企業已經介入，在產業鏈上下游都有佈局。”
張國斌還表示，目前所要面對的困難主要有兩點，一是氮化鎵製作難度比較大，成品率不是很理想；二是氮化鎵成本比較高，比矽基的半導體材料要貴很多，但隨著未來大規模普及，成本肯定會降下來的。
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《完美關係》第37集9：13 彈幕見！
00：30
作者／IT時報記者 李玉洋
作者／IT時報記者 李玉洋
編輯／挨踢妹
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