2020年2月13日下午，小米通过线上直播发布会的形式，面向数百万观众，正式发布了小米10系列手机以及部分配件产品。其中，小米65W氮化镓充电器成为本次发布会的一大亮点，据小米首席执行官雷军介绍，该款充电器具有小巧、高效、发热低等特点，并且支持小米10疾速快充，从0充电至100%仅需45分钟。
小米就此成为了第一家将氮化镓USB PD快充单独零售的手机企业，并且149元的零售价更是创下行业新低。此前OV也有类似产品，但是作为专用配件搭配手机销售，也有单独做快充头的科技公司但是售价都超过150元且功率仅为30W。手机厂商把65W快充头价格拉低至150元以下确实为第一家，因此引发行业内外的高度关注。
小米65WPD充电器的核心器件采用的是氮化镓。氮化镓（GaN）是宽禁带半导体材料，利用GaN材料做的芯片晶体管的开关速度，是普通硅基的数十倍比，同时有着更强的输出功率和更小的体积，是未来功率半导体的突破性材料。
浙江品利基金专注于半导体领域投资和研究，本文就氮化镓材料做一个专业解读。
一、氮化镓是何方神圣？
氮化镓（GaN），是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。
氮化镓和其他半导体材料对比
上图中我们可以看到，氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来一些的优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积还更小，功率密度还更大。
就如这次小米的快充一样，使得小米65W氮化镓充电器的尺寸仅为56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，体积比小米笔记本标配的65W适配器还减小了约48%，约为苹果61W快充充电器的三分之一。
二、为什么氮化镓快充头这么小巧？功率还这么大？
这就是得益于氮化镓材料本身优异的性能，使得做出来的氮化镓比传统硅基功率芯片更加小巧，同时由于更耐高压，大电流，氮化镓芯片功率密度更大，因此体积反而比硅更小巧。此外使用氮化镓功率芯片后还减少了周边的其他元件的使用，电容，电感，线圈等被动件比硅基方案少的多，进一步缩小的体积，所以本次看到的氮化镓快充头，不仅体积小巧，但是还能提供更强大的功率输出。
三、除了快充，氮化镓还有其他什么重要应用？
氮化镓材料，目前有三个比较重要的方向，分别是光电领域，包括我们现在常见的LED，以及激光雷达和VCSEL传感器；功率领域，各类电子电力器件应用在快充头，变频器，新能源汽车，消费电子等电子电力转换场景；射频领域，包括5G基站，军事雷达，低轨卫星，航天航空等领域。
四、为什么氮化镓快充电头这么贵？
本次快充头中除了PD协议成本，其他硬件材料电容电感线圈电源管理IC等之外，最主要的成本来自于氮化镓功率芯片。
制造氮化镓功率芯片的原材料就是氮化镓单晶片，目前单晶2英寸就高达2万多元一片。商业方案中较多的使用硅基氮化镓外延片，但是价格也非常高昂，8英寸的硅基氮化镓也超过1万的售价，而且产能不足，很难买到。硅基氮化镓是同面积硅片售价的30多倍。
所以说过于昂贵的原材料导致了氮化镓芯片非常昂贵，最终传到到终端产品就看到高出普通充电头数倍的价格。
五、氮化镓材料为什么如此昂贵？
氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得，因此2英寸售价便高达2万多。商业场景中，更多使用氮化镓异质外延片。
六、什么叫氮化镓异质外延片？
在氮化镓单晶衬底上长氮化镓外延层我们称为同质外延，在其他衬底材料上长氮化镓我们称为异质外延片。
目前包括蓝宝石，碳化硅，硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。
其中蓝宝石基氮化镓外延片只能用来做LED；硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频；碳化硅基本氮化镓可以制造大功率LED、功率器件和大功率射频芯片。
本次小米发售的快充头，就是硅基氮化镓做的功率器件的一个典型应用场景。
七、为什么同是外延片，应用差异这么大？
氮化镓外延片的用来制造器件有很多具体的指标，包括晶格缺陷、径向偏差、电阻率、掺杂水平、表面粗糙度、翘曲度等，在不同的衬底材料长的外延层晶体质量差别较大。
其中氮化镓和3C碳化硅，有着非常接近的晶格体系，两者适配度非常高，超过95%，因此碳化硅衬底上长氮化镓外延，外延层质量非常好，可以用来做高端产品，包括大射频功率、大功率器件、大功率LED、激光雷达等。
硅和氮化镓晶体适配度非常低，不到83%，因此硅上无法直接长外延层。需要长多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比碳化硅基差不少，因此硅基氮化镓只能用来做小功率射频，中小功率器件。
蓝宝石基氮化镓，因为衬底材料的问题，无法应用到射频和功率领域，只能用作普通的LED灯。
虽然都是氮化镓外延片，但是由于衬底材料的不同，外延层晶体质量差异较大，应用也不尽相同。
蓝宝石片最便宜，硅基次之，碳化硅较贵，氮化镓最贵。
八、氮化镓在射频领域的应用？
氮化镓虽然性能优异，但是价格过于昂贵，当下无论是移动端还是基站端，是用不起的，传统的硅基LDMOS和砷化镓芯片就能满足应用，目前仅在军工雷达领域，有一定的应用，民用场景较少。
目前5G Sub-6标准频率不超过6GHz，因此砷化镓和LDMOS就可以满足应用，但是到5G毫米波标准，LDMOS就无法用了，28GHz频段砷化镓还能一战，40GHz频段标准砷化镓就非常吃力了，需要上氮化镓，而67GHz标准频段则完全是氮化镓的天下，因此我们可以说未来5G和氮化镓是绝配。
九、氮化镓目前主要工艺节点是多少nm线宽？有特殊工艺吗？设备需要更换吗？传统硅基Fab能来做吗？
目前氮化镓外延片晶圆最大尺寸为8英寸，因此可以使用8英寸Fab，流片目前8英寸主流工艺节点包括0.35u-0.13um等制程。
8英寸硅基氮化镓与传统8英寸Fab设备兼容，预测大约50%-60%可以重复利用，比如黄光区设备应该差距不大。但是部分设备由于氮化镓材料的问题，需要更新设备，比如外延设备、刻蚀设备、氧化扩散设备、抛光去除设备、离子注入机等。
碳化硅基氮化镓最大为6英寸，6英寸工艺节点覆盖0.5u-0.25um。
做功率应该与传统硅基结构差别不大，但是做射频应该有较大差异性，其每家射频公司的设计方案都不尽相同，导致其芯片内部结构差异较大。
十、国外有那些产业链公司
目前国内外做氮化镓的公司也不少，属于一个蓬勃发展的产业，创新公司层出不穷。
国外产业链公司包括：美国EPC、加拿大GaNsysterms、美国Dialog、美国Navitas、以色列VisIC Tech、GaN Pi，skyworks、Qorvo、安华高、比利时EPI、台湾嘉晶电子、台湾汉磊、台湾欣邦、台积电、联电、TI、日本松下、韩国三星、美国IR、安森美、ST、德国X-FAB、世界先进、Towerjazz,日本DOWA、日本日立、住友、三菱、昭和电工等大一批材料、设计、制造公司。
国内产业链公司包括：江苏纳维、东莞中镓、华威海芯（海特高新控股子公司）、耐威科技、苏州能讯、三安光电、英诺赛科、江苏华功、江苏能华（海陆重工参股子公司）、苏州晶湛、大连芯冠、苏州捷芯威、聚力成、世纪金光、山东加睿晶欣、捷笠、四川益丰电子以及13所、55所等军工单位。
公司较多不一一列举
十一、氮化镓市场前景？
目前根据Yole的统计，2018年，氮化镓功率和射频相加仅仅4000万美金的市场规模，但是我们认为得力于5G基站的建设高潮，汽车电子、激光雷达以及消费电子的快速增长，无论是硅基氮化镓在功率领域，或者碳化硅基氮化镓在射频领域的应用，未来会出现较大增长，年均增长率可能超过40%，目前没有准确的数字预估未来某个时间点的市场规模，但是这个极具发展潜力的朝阳产业是较为确定的事。
浙江品利基金投研团队
王飞尧、唐李明、陈启
2020年2月15日
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