由于2 月13 日小米在新品發(fā)表會(huì)中，除了推出小米10 系列外，更宣布采用氮化鎵(GaN) 作為原料的充電器，一時(shí)間原本GaN 在射頻領(lǐng)域熱燒的話題，快速延燒至電池產(chǎn)業(yè)。

隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)車、家用電器等產(chǎn)品更新?lián)Q代，產(chǎn)品的性能也越來越受重視，尤其是在功率設(shè)計(jì)方面。如何提升電源轉(zhuǎn)換能效，提高功率密度水平，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，成為了新一代電子產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)。

在這樣的背景下，一種新型的功率半導(dǎo)體——氮化鎵（GaN）的出現(xiàn)，或許會(huì)成為未來電子產(chǎn)業(yè)的“香餑餑”。

一、蟄伏20年的第三代半導(dǎo)體材料GaN

上個(gè)月剛結(jié)束的小米10發(fā)布會(huì)上，和小米10一同火起來的，還有小米創(chuàng)始人雷軍著重介紹額65W小米GaN充電器。雷軍夸其為“實(shí)在太方便了！”新品火起來的同時(shí)，還引起投資人對(duì)于第三代半導(dǎo)體的廣泛關(guān)注。

了解GaN之前，首先我們要弄清楚關(guān)于半導(dǎo)體材料的一些知識(shí)。

半導(dǎo)體材料歷經(jīng) 3 個(gè)發(fā)展階段，第一代是硅 (Si)、鍺 (Ge) 等基礎(chǔ)功能材料；第二代開始進(jìn)入由 2 種以上元素組成的化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 等為代表；第三代則是氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等寬頻化合物半導(dǎo)體材料。

目前全球絕大多數(shù)半導(dǎo)體元件，都是以硅作為基礎(chǔ)功能材料的硅基半導(dǎo)體，不過，在高電壓功率元件應(yīng)用上，硅基元件因?qū)娮柽^大，往往造成電能大量損耗，且在高頻工作環(huán)境下，硅元件的切換頻率相對(duì)較低，性能不如寬頻化合物半導(dǎo)體材料。

硅基半導(dǎo)體受限硅材料的物理性質(zhì)，而氮化鎵、碳化硅則因?qū)娮柽h(yuǎn)小于硅基材料，導(dǎo)通損失、切換損失降低，可帶來更高的能源轉(zhuǎn)換效率。挾著高頻、高壓等優(yōu)勢(shì)，加上導(dǎo)電性、散熱性佳，元件體積也較小，適合功率半導(dǎo)體應(yīng)用，近來在 5G、電動(dòng)車等需求推升下，氮化鎵等材料崛起成為半導(dǎo)體材料明日之星。

不過，其實(shí)氮化鎵材料廣為人知，是始于 LED 領(lǐng)域，1993 年時(shí)，日本日亞化學(xué)的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵 (InGaN)，開發(fā)出具高亮度的藍(lán)光 LED，人類也因此湊齊可發(fā)出三原色光的 LED。梳理具體詳情如下：

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）等元素的材料，常用在信息技術(shù)中的分立器件和集成電路中，電腦、手機(jī)、電視、航空航天、各類軍事工程等產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用。

第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導(dǎo)體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge－Si、GaAs－GaP；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體；以及有機(jī)半導(dǎo)體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

第三代半導(dǎo)體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。在應(yīng)用方面，根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域。在本文中重點(diǎn)介紹的GaN，并不存在于自然界，只能在實(shí)驗(yàn)室中制成。具有帶隙寬、原子鍵強(qiáng)、導(dǎo)熱率高、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗輻照能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦、硬度很高等特點(diǎn)，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

在1998年，美國(guó)研制出GaN晶體管，資料顯示，GaN在室溫下帶隙為3．49eV（電子伏特）。一般來說，帶隙就是指禁帶寬度，是半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。

若禁帶寬度Eg＜ 2．3eV，則稱為窄禁帶半導(dǎo)體，如Ge、Si、GaAs以及InP；若禁帶寬度Eg＞2．3eV則稱為寬禁帶半導(dǎo)體，如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。

由于寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

以GaN為例，熔點(diǎn)高達(dá)1700℃。有人曾做過實(shí)驗(yàn)，在一般高溫情況下，GaN不會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，只有將其放置于氮?dú)饣蚝庵星覝囟瘸^1000℃時(shí)GaN才會(huì)慢慢揮發(fā)，證明GaN可以在較高的溫度下保持其穩(wěn)定性。這也是為什么GaN能被廣泛運(yùn)用在大功率半導(dǎo)體中的原因。

二、GaN產(chǎn)業(yè)鏈及市場(chǎng)規(guī)模

與SiC產(chǎn)業(yè)鏈類似，GaN產(chǎn)業(yè)鏈可依次分為GaN襯底→GaN外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。從國(guó)內(nèi)外GaN產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，美國(guó)、日本成為GaN產(chǎn)業(yè)發(fā)展的佼佼者，中國(guó)企業(yè)入局者則為數(shù)不多。

因?yàn)椴牧咸匦缘牟町悾柙诟哂?200V 的高電壓、大功率具有優(yōu)勢(shì)，而GaN 制的產(chǎn)品更適合40～1200V 的應(yīng)用，特別是在600V/3KW 能發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。因此，在伺服器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS 等領(lǐng)域，GaN 可以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)MOSFET 或IGBT 的地位。

Yole預(yù)計(jì)2024年GaN電源市場(chǎng)產(chǎn)值將超過3.5億美元，CAGR達(dá)85%，當(dāng)中，GaN快充是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高成長(zhǎng)的主要力量。此外，GaN還有望滲透進(jìn)入汽車及工業(yè)和電信電源應(yīng)用中。

從生產(chǎn)端來看，GaN 功率半導(dǎo)體已開始少量出貨，但由于其價(jià)格過于昂貴，是影響現(xiàn)階段發(fā)展受限的主要因素。價(jià)格不親民是因?yàn)槟壳癎aN 制芯片仍以6 吋及以下的晶圓廠生產(chǎn)為主，尚未顯現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，若未來成本能再大幅下降，市場(chǎng)需求就會(huì)爆發(fā)。

在GaN功率領(lǐng)域中，市場(chǎng)主要由Infi neo n、EPC、GaN Systems、Transphorm，及Navitas等公司主導(dǎo)，其產(chǎn)品是由TSMC，Episil、X-FAB進(jìn)行代工。中國(guó)新興代工廠中，三安光電和海特高新具有量產(chǎn)GaN功率零組件的能力。

雖然GaN 有著許多優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)楫a(chǎn)品價(jià)格偏高，這是現(xiàn)在消費(fèi)性電子產(chǎn)品未大量采用的主因。反而在衛(wèi)星、軍事這類對(duì)價(jià)格敏感度低的產(chǎn)業(yè)，GaN 零組件對(duì)其有極大的吸引力。

不過，從意法半導(dǎo)體與臺(tái)積電之間的合作可以看出，在5G 世代中，GaN 已經(jīng)是不可缺少的重要原料，特別是在車電領(lǐng)域(與手機(jī)等消費(fèi)性電子相比，價(jià)格敏感度低)，將是國(guó)際大廠搶進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

非常值得一提的是，在射頻領(lǐng)域，氮化鎵射頻器件適合高頻高功率場(chǎng)景，是5G時(shí)代的絕佳產(chǎn)品，將替代Si基芯片，應(yīng)用在5G基站、衛(wèi)星通信、軍用雷達(dá)等場(chǎng)景。

在政治局會(huì)議多次點(diǎn)名之下，5G基站的建設(shè)迎來高峰，相應(yīng)的各種射頻器件、芯片數(shù)量和質(zhì)量都在提升，市場(chǎng)需求旺盛。氮化鎵工藝正在逐步占領(lǐng)市場(chǎng)，已經(jīng)勢(shì)不可擋。拓璞產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)到2023年基站端GaN射頻器件規(guī)模達(dá)到頂峰，達(dá)到112．6億元。

再加上衛(wèi)星通信、軍用雷達(dá)的市場(chǎng)，據(jù)預(yù)測(cè)GaN射頻市場(chǎng)將從2018年的6．45億美元增長(zhǎng)到2024年的約20億美元。

三、GaN產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景

GaN 目前主要的應(yīng)用就在微波射頻、電力兩大領(lǐng)域。具體而言，微波射頻包含5G 通訊、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等應(yīng)用；電力則包含智慧電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)電子等。

快充產(chǎn)品領(lǐng)域：GaN材料應(yīng)用范圍廣泛，最為人熟知的就是在快充產(chǎn)品領(lǐng)域。最初快充出現(xiàn)的時(shí)候還并不被大伙所看好，總感覺這么短時(shí)間內(nèi)充滿一塊電池，擔(dān)心電池爆炸。隨著快充逐漸升級(jí)為超級(jí)快充，充電時(shí)間越來越短，對(duì)于電池安全的隱憂雖然沒有徹底放下，但人們也越來越愿意接受。

新型的GaN快充與傳統(tǒng)快充相比，由于GaN的材料特性能提供更高的能量轉(zhuǎn)化效率，降低了功耗，減小了充電時(shí)的發(fā)熱問題；GaN充電器擁有更大的功率密度，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的充電速度；此外，GaN充電器功率器件的開關(guān)頻率顯著高于傳統(tǒng)快充中的Si功率器件，因此可以實(shí)現(xiàn)體積更小的充電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

今年2月，小米發(fā)布新品，其中65W GaN充電器成為一大亮點(diǎn)。

這款充電器易散熱、充電快（比iphone原裝快50％，從0到100％的電量只需45分鐘）、體積小（比常規(guī)充電器小了50％），且售價(jià)只要149元，性價(jià)比較高。3天預(yù)約就超5萬，一時(shí)間，這一黑科技產(chǎn)品站上了風(fēng)口，氮化鎵也因此引發(fā)市場(chǎng)的強(qiáng)烈關(guān)注。

不過這并不是第一款氮化鎵充電器，早在去年四季度，OPPO就發(fā)布了全球首款65W GaN充電器。兩家大廠相繼布局，意味著技術(shù)已經(jīng)進(jìn)一步成熟。

而且，氮化鎵充電器并不僅僅用于手機(jī)充電。更小、更便捷的GaN充電器是解放筆記本的一大利器。未來，筆記本、新能源車或許都會(huì)用到氮化鎵充電器。

電動(dòng)汽車、光伏等功率半導(dǎo)體領(lǐng)域：目前電動(dòng)汽車、光伏、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域使用的IGBT是硅基材料，如果未來氮化鎵技術(shù)取得突破，從而滲透進(jìn)IGBT半導(dǎo)體領(lǐng)域，那么將進(jìn)一步打開氮化鎵市場(chǎng)的天花板。

照明領(lǐng)域：半導(dǎo)體照明是目前國(guó)內(nèi)外非常受人矚目的一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，它將取代大部分傳統(tǒng)光源，又被稱為21世紀(jì)的能源革命．GaN能和NIn、NAl相互摻雜改變III族元素的比例，從而能使其發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋從紅光到紫外光的范圍，由此達(dá)到更高效率、高亮度的光源方面的應(yīng)用。

電力：在600 伏特左右電壓下，GaN 在電源管理、發(fā)電和功率輸出方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這使GaN 材料的電源產(chǎn)品可更為輕薄、高效率，且GaN 充電插頭體積小、功率高、支援PD 協(xié)定，有機(jī)會(huì)在未來統(tǒng)一NB 和手機(jī)的充電器市場(chǎng)。

射頻領(lǐng)域：

GaN 的射頻零組件具有高頻、高功率、較寬頻寬、低功耗、小尺寸的特點(diǎn)，能有效在5G 世代中節(jié)省PCB 的空間，特別是手機(jī)內(nèi)部空間上，且能達(dá)到良好的功耗控制。

在5G產(chǎn)品中，GaN主要應(yīng)用在Sub-6GHz基地臺(tái)和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole預(yù)估GaN射頻市場(chǎng)將從2018年的6.45億美元成長(zhǎng)2024年的20億美元，CAGR達(dá)21%，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施及國(guó)防兩大領(lǐng)域所推動(dòng)，而衛(wèi)星通信、有線寬頻和射頻也有一定的貢獻(xiàn)。

在要求高頻高功率輸出的衛(wèi)星通訊中，市場(chǎng)預(yù)估GaN 將逐漸取代GaAs 成為新的解決方案。而在有線電視和民用雷達(dá)市場(chǎng)與LDMOS 或GaAs 材料相比，GaN 的成本仍高，短期內(nèi)大量取代的情況不易見。

在GaN 射頻領(lǐng)域主要由美、日兩國(guó)企業(yè)主導(dǎo)，其中，以美商Cree 居首，住友電工、東芝、富士通等日商緊追在后，中國(guó)廠如三安光電、海特高新、華進(jìn)創(chuàng)威在此領(lǐng)域雖有著墨，但與國(guó)際大廠相比技術(shù)差距大。

5G射頻領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)力：

隨著5G技術(shù)的爆發(fā)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)射頻功率、功耗的要求進(jìn)一步提升，GaN將逐漸取代Si材料。在相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗戰(zhàn)、精確制導(dǎo)等軍事化場(chǎng)景中，GaN的運(yùn)用也越來越廣泛。

市場(chǎng)研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole曾經(jīng)表示，2018年GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到4．57億美元，未來5年復(fù)合增長(zhǎng)率超過23％。在整個(gè)射頻應(yīng)用市場(chǎng)，GaN器件的市場(chǎng)份額將逐漸提高。長(zhǎng)期來看，在宏基站和回傳領(lǐng)域，憑借高頻高功率的性能優(yōu)勢(shì)，GaN將逐漸取代LDMOS和GaAs從而占據(jù)主導(dǎo)位。

GaN 是極為穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬和熔點(diǎn)高的材料，其熔點(diǎn)為高達(dá)1700℃。同時(shí)，GaN 有較高的電子密度和電子速度，其高電離度，也是在三五族化合物中最高的，因此受到高頻、高功率類別電子產(chǎn)品的青睞。

四、還存在哪些缺點(diǎn)？

雖然GaN相比于Si等材料更節(jié)能、更快，具備更好的恢復(fù)特性，但是仍然談不上徹底取代。由于若干原因，GaN并不常用于晶體管中，因?yàn)镚aN器件通常是耗盡型器件，當(dāng)柵極 － 源極電壓為零時(shí)它們會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通，這是一個(gè)問題。

其次，GaN器件極性太大，難以通過高摻雜來獲得較好的金屬－半導(dǎo)體的歐姆接觸，這是GaN器件制造中的一個(gè)難題，現(xiàn)在最好的解決辦法就是采用異質(zhì)結(jié)，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然后再采用高摻雜來實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，但這種工藝很復(fù)雜。

五、氮化鎵代工爭(zhēng)奪戰(zhàn)開始

蘋果 iPhone X 採(cǎi)用 3D 感測(cè)技術(shù)后，半導(dǎo)體材料砷化鎵因 VCSEL 等應(yīng)用而聲名大噪，近來隨著 5G、電動(dòng)車等新應(yīng)用興起，對(duì)功率半導(dǎo)體需求增溫，新一代材料氮化鎵 (GaN) 挾著高頻率等優(yōu)勢(shì)，快速攫獲市場(chǎng)目光；以中國(guó)臺(tái)灣企業(yè)為代表的代工企業(yè)繼站穩(wěn)硅晶圓代工、砷化鎵晶圓代工龍頭地位后，也積極搶進(jìn)氮化鎵領(lǐng)域，力拚再拿代工龍頭寶座。

LED 領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱后，近來受惠 5G、電動(dòng)車應(yīng)用推升，對(duì)高頻率、高功率元件需求成長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)氮化鎵的討論聲浪再度高漲。氮化鎵主要應(yīng)用于 600 至 1000 伏特的電壓區(qū)間，具備低導(dǎo)通電阻、高頻率等優(yōu)勢(shì)，可在高溫、高電壓環(huán)境下運(yùn)作，但主要優(yōu)勢(shì)仍在于高頻率元件，在高壓與高功率表現(xiàn)上，雖優(yōu)于硅基材料，但不如碳化硅材料表現(xiàn)亮眼。

從應(yīng)用面來看，氮化鎵應(yīng)用包括變頻器、變壓器與無線充電，為國(guó)防、雷達(dá)、衛(wèi)星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設(shè)備的理想功率放大元件。

由于 5G 技術(shù)采用更高的操作頻率，業(yè)界看好，GaN 元件將逐步取代橫向擴(kuò)散金氧半導(dǎo)體 (LDMOS)，成為 5G 基站主流技術(shù)；且在手機(jī)功率放大器 (PA) 方面，因 GaN 材料具備高頻優(yōu)勢(shì)，未來也可望取代砷化鎵製程，成為市場(chǎng)主流。

現(xiàn)行的 GaN 功率元件，以 GaN-on-Si(硅基氮化鎵)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)2 種晶圓為主，雖然 GaN-on-SiC 性能相對(duì)較佳，但價(jià)格大幅高于 GaN-on-Si，也使 GaN-on-Si 仍為目前市場(chǎng)主流，主要應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，未來可望大幅導(dǎo)入 5G 基地臺(tái)的功率放大器 (PA)。

看準(zhǔn)龐大需求 晶圓代工廠積極搶進(jìn)

看準(zhǔn)了氮化鎵這個(gè)機(jī)會(huì)，中國(guó)廠商正在積極推進(jìn)。首先從臺(tái)廠進(jìn)度來看，磊晶硅晶圓廠嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶硅晶圓，已進(jìn)入國(guó)際 IDM 廠認(rèn)證階段，并爭(zhēng)取新訂單中；而同屬漢磊投控 集團(tuán)的晶圓代工廠漢磊科，則已量產(chǎn) 6 吋 GaN on Si 晶圓代工，瞄準(zhǔn)車用需求；晶圓代工龍頭臺(tái)積電 也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圓代工服務(wù)。

至于 GaN-on-SiC 磊晶晶圓，則在散熱性能上具優(yōu)勢(shì)，適合高溫、高頻操作環(huán)境，主要應(yīng)用在功率半導(dǎo)體的車用、工業(yè)與消費(fèi)型電子元件領(lǐng)域，少量應(yīng)用于通訊射頻領(lǐng)域。目前 GaN-on-SiC 晶圓可做到 4 吋與 6 吋，未來可望朝 8 吋推進(jìn)，惟磊晶技術(shù)主要集中在碳化硅晶圓大廠 Cree 手中，其在 SiC 晶圓市占率高達(dá) 6 成之多，幾乎獨(dú)霸市場(chǎng)。

不過，在晶圓代工產(chǎn)能方面，三五族半導(dǎo)體晶圓代工廠穩(wěn)懋 已開始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工服務(wù)，應(yīng)用瞄準(zhǔn)高功率 PA 及天線；而環(huán)宇 - KY也擁有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 產(chǎn)能，且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工產(chǎn)能已通過認(rèn)證。

晶圓代工廠世界先進(jìn)也在 GaN 材料上投資超過 4 年時(shí)間，持續(xù)與設(shè)備材料廠 Kyma、及轉(zhuǎn)投資 GaN 硅基板廠 Qromis 攜手合作，著眼開發(fā)可做到 8 吋的新基底高功率氮化鎵技術(shù) GaN-on-QST，今年可望有小量樣品送樣，初期主要瞄準(zhǔn)電源領(lǐng)域應(yīng)用。

5G 應(yīng)用推升氮化鎵材料需求，而除站穩(wěn)硅晶圓代工龍頭、砷化鎵晶圓代工龍頭寶座外，臺(tái)廠在第三代半導(dǎo)體材料上，當(dāng)然也不能缺席，包括硅晶圓代工廠、三五族半導(dǎo)體晶圓代工廠，均積極佈局氮化鎵領(lǐng)域，以迎接 5G 時(shí)代下的半導(dǎo)體材料新革命。

小結(jié)

歐美等國(guó)家正在持續(xù)加大第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)支持力度，以GaN、SiC為首的第三代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用，是半導(dǎo)體以及下游電力電子、通訊等行業(yè)新一輪變革的突破口。

近年來，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但在材料指標(biāo)、器件性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在一定差距，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)本土化、高端化的需求依然緊迫。

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