氮化镓：半导体行业的未来

近日，国内电源厂商倍思，正式发布了全球首款支持 QC5 通用协议的 100W 氮化镓充电器，并且兼容 PD 通用快充协议。这就意味着，未来支持 QC5 或者 PD 快充协议的数码产品，也能够享受到十多分钟充满 4000mAh 电池的惊人充电速度，不再需要受限于国产厂商的私有协议。

当然，今天并非是要夸赞倍思，或者是为高通在快充协议挤牙膏多年，终于跟上百瓦快充潮流而喜极而泣。今天想跟大家聊聊的，是近年高端充电器几乎必备的一项「新技术」——氮化镓。

 

氮化镓 GaN 这个热点，其实并非是这几年才出现。早在 1963 年，美国柯达公司就开始申请 GaN 的相关专利。但碍于当时的技术不够成熟，生产技术难度过大，导致了当时业界并不看好 GaN，发展非常缓慢。20 年后的 1989 年，日本松下电器东京研究所的研究院，终于克服了这种材料的生产难题，成功研发出了 GaN 的量产技术，在 90 年代，GaN 的相关专利得到了飞跃式的增加。直到近年，基于 GaN 的产品才进入商用市场。其中最为知名的，或者说离我们生活最近的，还要数 GaN 氮化镓充电器。所以，GaN 从研发成功到商用，中间至少经历了接近 20 年的过程。

 

虽然我们总说「氮化镓」技术，但严格来说，氮化镓 GaN 只是一种半导体材料。怎么用 GaN 才叫技术。氮化镓 GaN 和碳化硅 SiC，同为第三代高大禁带宽度的半导体材料。Title 很长，简单来说就是第三代半导体。相比第一代半导体硅 Si 和第二代半导体砷化镓 GaAs、磷化铟 InP，GaN 有非常多的优势。

这里我简单举个例子。2019 年的 CES 上，Anker 推出了一款让人印象非常深刻的产品——PD1 30W GaN 充电器。它的大小跟苹果的 5W 标准充电头基本一致，但却能提供 30W 的 PD 快充。基于这两个特点，Anker 的这款充电头在当时数码圈引起了极大的轰动。相比传统充电头有这么大的进步，主要是 Anker 采用了 GaN 材料设计部分零器件，这不仅能有效缩小电源 IC 等零部件的体积，还可以利用 GaN 耐高温、高压、能量转换效率高等特性，带来更高的充电功率。

 

所以，我们可以得知，采用氮化镓 GaN 作为电源功率零器件的几个主要特性：体积小，可靠性高，耐高温高压，转化效率高。这些都是得益于 GaN 禁带宽度大的特性。禁带宽度，可以理解为你去游乐园玩过山车，门口只有两个人这么宽，每次只有挤进去的两个人可以玩。如果人是能量，门是禁带宽度，那这就是禁带宽度小，能量的传输就弱，你充电速度就慢。

所以简单来说，GaN 的禁带宽度大，意味着可以承受更多的能量，所以能够采用 GaN 的功率控件，可以提供非常快的充电速度。当然，这只是一个不严谨，方便理解的说法。由于我们这里聊的是 GaN，而不是半导体，所以就不展开了。如果你对半导体方面的内容感兴趣，我会在文末提供几个知乎上看到的参考材料，方便理解。

当然，上面这些特性并非是只在氮化镓中存在。同为第三代半导体的碳化硅 SiC，也拥有类似的特性。两者的区别主要在热导率和电子迁移率。所以，SiC 更适合在 1200V 以上的高压领域，而 GaN 更适合在 40V -1200V 低压高频领域。我们日常生活的产品，大多数是分布在低压领域，所以目前 GaN 的存在感会更强一些。

除了前面提到的电源功率零件之外，GaN 的适用领域还非常广阔。除了是电源功率领域的明日之星，GaN 还能在射频领域和 LED 领域大放异彩。但 LED 领域里面，GaN 的使用已经相对比较成熟了，特别是中国的 LED ，非常强，这里就不仔细聊。说说射频领域的事。

射频领域，大家第一个想到的关键词是什么？应该是 5G 和物联网。5G 高速低延迟覆盖小的特性，对传输材料的要求非常高。同时，5G 基站的部署，耗电量也高得夸张。所以，GaN 就成了 5G 时代的重点材料，也是极具战略意义的半导体材料。

过去 4G 时代，基站的功率放大器 PA，主要还是使用欧美主导的横向扩散金属氧化物半导体 LDMOS。名字很长，但这不重要。LDMOS 的频率，无法满足 5G 时代的要求。所以，GaN 节能、零器件体积小、耐高温高压等等一系列的特性，非常符合 5G PA 的需求，也就成为了 5G 时代半导体材料的首选。除此之外，GaN 还在射频器件 RF 上也有更好的表现。基于 5G 这个大背景，GaN 的重要性会远超我们的想象和预期。所以，第三代半导体氮化镓 GaN 和碳晶硅 SiC 的研发，一同被列入十四五规划之中。

另外要提到的是，华为早在几年前，已经对 GaN 在通讯领域的应用有所布局。中兴也紧随其后。所以，接下来的 5G 时代，国内不论是通讯，还是关于第三代半导体的相关技术，都有非常大的可能会超车欧美，站在相当领先的位置上。

另外，新能源汽车方面，不论是 GaN 还是 SiC，也有相当丰富的发展空间。主要的问题依然还是成本问题，以及 GaN 在商用过程中需要一定的研发时间。

目前，世界上 GaN 的头号玩家依然是英飞凌、意法半导体、安森美这些大佬。但在国家开始对第三代半导体给予战略级重视的情况下，这个格局是否会改变，未来我们将有机会一同见证。

参考内容：

[1] The Verge. 2021. Gallium nitride is the silicon of the future. [online] Available at: <https://www.theverge.com/2018/11/1/18051974/gallium-nitride-anker-material-silicon-semiconductor-energy>

[2] 2021. “技术推进+应用驱动”——功率半导体迎来新一轮 发展机遇. [ebook] 天风国际, pp.10-17.

[3] 天涯.明月.刀—漫谈三代半导体. (n.d.). Retrieved from https://zhuanlan.zhihu.com/p/27147006

[4]科技-产业研究. (n.d.). 科技前沿—5G—基站PA 氮化镓. Retrieved from https://zhuanlan.zhihu.com/p/53106176

[5]陈欣,郑菲,董璐,陈枢舒.氮化镓半导体材料发展现状[J].高科技与产业化,2016(02):90-94.

[6]梁上尘. (n.d.). 小科普|一文读懂半导体宽禁带的技术. Retrieved from https://zhuanlan.zhihu.com/p/81925996

[7] Wolray. (n.d.). 导带、价带、禁带、允带都是什么逻辑关系？. Retrieved from https://www.zhihu.com/question/31683770/answer/54683380

[8] 懒得起名. (n.d.). 为什么宽禁带半导体更好. Retrieved from https://zhuanlan.zhihu.com/p/29455827