2020年2月13日下午，小米通過線上直播發(fā)布會的形式，面向數(shù)百萬觀眾，正式發(fā)布了小米10系列手機以及部分配件產(chǎn)品。其中，小米65W氮化鎵充電器成為本次發(fā)布會的一大亮點，據(jù)小米首席執(zhí)行官雷軍介紹，該款充電器具有小巧、高效、發(fā)熱低等特點，并且支持小米10疾速快充，從0充電至100%僅需45分鐘。
小米就此成為了第一家將氮化鎵USB PD快充單獨零售的手機企業(yè)，并且149元的零售價更是創(chuàng)下行業(yè)新低。此前OV也有類似產(chǎn)品，但是作為專用配件搭配手機銷售，也有單獨做快充頭的科技公司但是售價都超過150元且功率僅為30W。手機廠商把65W快充頭價格拉低至150元以下確實為第一家，因此引發(fā)行業(yè)內(nèi)外的高度關(guān)注。
小米65WPD充電器的核心器件采用的是氮化鎵。氮化鎵（GaN）是寬禁帶半導(dǎo)體材料，利用GaN材料做的芯片晶體管的開關(guān)速度，是普通硅基的數(shù)十倍比，同時有著更強的輸出功率和更小的體積，是未來功率半導(dǎo)體的突破性材料。
浙江品利基金專注于半導(dǎo)體領(lǐng)域投資和研究，本文就氮化鎵材料做一個專業(yè)解讀。
一、氮化鎵是何方神圣？
氮化鎵（GaN），是由氮和鎵組成的一種半導(dǎo)體材料，因為其禁帶寬度大于2.2eV,又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，在國內(nèi)也稱為第三代半導(dǎo)體材料。
氮化鎵和其他半導(dǎo)體材料對比
上圖中我們可以看到，氮化鎵比硅禁帶寬度大3倍，擊穿場強高10倍，飽和電子遷移速度大3倍，熱導(dǎo)率高2倍。這些性能提升帶來一些的優(yōu)勢就是氮化鎵比硅更適合做大功率高頻的功率器件，同時體積還更小，功率密度還更大。
就如這次小米的快充一樣，使得小米65W氮化鎵充電器的尺寸僅為56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，體積比小米筆記本標(biāo)配的65W適配器還減小了約48%，約為蘋果61W快充充電器的三分之一。
二、為什么氮化鎵快充頭這么小巧？功率還這么大？
這就是得益于氮化鎵材料本身優(yōu)異的性能，使得做出來的氮化鎵比傳統(tǒng)硅基功率芯片更加小巧，同時由于更耐高壓，大電流，氮化鎵芯片功率密度更大，因此體積反而比硅更小巧。此外使用氮化鎵功率芯片后還減少了周邊的其他元件的使用，電容，電感，線圈等被動件比硅基方案少的多，進(jìn)一步縮小的體積，所以本次看到的氮化鎵快充頭，不僅體積小巧，但是還能提供更強大的功率輸出。
三、除了快充，氮化鎵還有其他什么重要應(yīng)用？
氮化鎵材料，目前有三個比較重要的方向，分別是光電領(lǐng)域，包括我們現(xiàn)在常見的LED，以及激光雷達(dá)和VCSEL傳感器；功率領(lǐng)域，各類電子電力器件應(yīng)用在快充頭，變頻器，新能源汽車，消費電子等電子電力轉(zhuǎn)換場景；射頻領(lǐng)域，包括5G基站，軍事雷達(dá)，低軌衛(wèi)星，航天航空等領(lǐng)域。
四、為什么氮化鎵快充電頭這么貴？
本次快充頭中除了PD協(xié)議成本，其他硬件材料電容電感線圈電源管理IC等之外，最主要的成本來自于氮化鎵功率芯片。
制造氮化鎵功率芯片的原材料就是氮化鎵單晶片，目前單晶2英寸就高達(dá)2萬多元一片。商業(yè)方案中較多的使用硅基氮化鎵外延片，但是價格也非常高昂，8英寸的硅基氮化鎵也超過1萬的售價，而且產(chǎn)能不足，很難買到。硅基氮化鎵是同面積硅片售價的30多倍。
所以說過于昂貴的原材料導(dǎo)致了氮化鎵芯片非常昂貴，最終傳到到終端產(chǎn)品就看到高出普通充電頭數(shù)倍的價格。
五、氮化鎵材料為什么如此昂貴？
氮化鎵是自然界沒有的物質(zhì)，完全要靠人工合成。氮化鎵沒有液態(tài)，因此不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，純靠氣體反應(yīng)合成。由于反應(yīng)時間長，速度慢，反應(yīng)副產(chǎn)物多，設(shè)備要求苛刻，技術(shù)異常復(fù)雜，產(chǎn)能極低，導(dǎo)致氮化鎵單晶材料極其難得，因此2英寸售價便高達(dá)2萬多。商業(yè)場景中，更多使用氮化鎵異質(zhì)外延片。
六、什么叫氮化鎵異質(zhì)外延片？
在氮化鎵單晶襯底上長氮化鎵外延層我們稱為同質(zhì)外延，在其他襯底材料上長氮化鎵我們稱為異質(zhì)外延片。
目前包括藍(lán)寶石，碳化硅，硅等是氮化鎵外延片主流的異質(zhì)襯底材料。
其中藍(lán)寶石基氮化鎵外延片只能用來做LED；硅基氮化鎵可以做功率器件和小功率的射頻；碳化硅基本氮化鎵可以制造大功率LED、功率器件和大功率射頻芯片。
本次小米發(fā)售的快充頭，就是硅基氮化鎵做的功率器件的一個典型應(yīng)用場景。
七、為什么同是外延片，應(yīng)用差異這么大？
氮化鎵外延片的用來制造器件有很多具體的指標(biāo)，包括晶格缺陷、徑向偏差、電阻率、摻雜水平、表面粗糙度、翹曲度等，在不同的襯底材料長的外延層晶體質(zhì)量差別較大。
其中氮化鎵和3C碳化硅，有著非常接近的晶格體系，兩者適配度非常高，超過95%，因此碳化硅襯底上長氮化鎵外延，外延層質(zhì)量非常好，可以用來做高端產(chǎn)品，包括大射頻功率、大功率器件、大功率LED、激光雷達(dá)等。
硅和氮化鎵晶體適配度非常低，不到83%，因此硅上無法直接長外延層。需要長多道緩沖層來過渡，因此外延層質(zhì)量水平就比碳化硅基差不少，因此硅基氮化鎵只能用來做小功率射頻，中小功率器件。
藍(lán)寶石基氮化鎵，因為襯底材料的問題，無法應(yīng)用到射頻和功率領(lǐng)域，只能用作普通的LED燈。
雖然都是氮化鎵外延片，但是由于襯底材料的不同，外延層晶體質(zhì)量差異較大，應(yīng)用也不盡相同。
藍(lán)寶石片最便宜，硅基次之，碳化硅較貴，氮化鎵最貴。
八、氮化鎵在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用？
氮化鎵雖然性能優(yōu)異，但是價格過于昂貴，當(dāng)下無論是移動端還是基站端，是用不起的，傳統(tǒng)的硅基LDMOS和砷化鎵芯片就能滿足應(yīng)用，目前僅在軍工雷達(dá)領(lǐng)域，有一定的應(yīng)用，民用場景較少。
目前5G Sub-6標(biāo)準(zhǔn)頻率不超過6GHz，因此砷化鎵和LDMOS就可以滿足應(yīng)用，但是到5G毫米波標(biāo)準(zhǔn)，LDMOS就無法用了，28GHz頻段砷化鎵還能一戰(zhàn)，40GHz頻段標(biāo)準(zhǔn)砷化鎵就非常吃力了，需要上氮化鎵，而67GHz標(biāo)準(zhǔn)頻段則完全是氮化鎵的天下，因此我們可以說未來5G和氮化鎵是絕配。
九、氮化鎵目前主要工藝節(jié)點是多少nm線寬？有特殊工藝嗎？設(shè)備需要更換嗎？傳統(tǒng)硅基Fab能來做嗎？
目前氮化鎵外延片晶圓最大尺寸為8英寸，因此可以使用8英寸Fab，流片目前8英寸主流工藝節(jié)點包括0.35u-0.13um等制程。
8英寸硅基氮化鎵與傳統(tǒng)8英寸Fab設(shè)備兼容，預(yù)測大約50%-60%可以重復(fù)利用，比如黃光區(qū)設(shè)備應(yīng)該差距不大。但是部分設(shè)備由于氮化鎵材料的問題，需要更新設(shè)備，比如外延設(shè)備、刻蝕設(shè)備、氧化擴散設(shè)備、拋光去除設(shè)備、離子注入機等。
碳化硅基氮化鎵最大為6英寸，6英寸工藝節(jié)點覆蓋0.5u-0.25um。
做功率應(yīng)該與傳統(tǒng)硅基結(jié)構(gòu)差別不大，但是做射頻應(yīng)該有較大差異性，其每家射頻公司的設(shè)計方案都不盡相同，導(dǎo)致其芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異較大。
十、國外有那些產(chǎn)業(yè)鏈公司
目前國內(nèi)外做氮化鎵的公司也不少，屬于一個蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)新公司層出不窮。
國外產(chǎn)業(yè)鏈公司包括：美國EPC、加拿大GaNsysterms、美國Dialog、美國Navitas、以色列VisIC Tech、GaN Pi，skyworks、Qorvo、安華高、比利時EPI、臺灣嘉晶電子、臺灣漢磊、臺灣欣邦、臺積電、聯(lián)電、TI、日本松下、韓國三星、美國IR、安森美、ST、德國X-FAB、世界先進(jìn)、Towerjazz,日本DOWA、日本日立、住友、三菱、昭和電工等大一批材料、設(shè)計、制造公司。
國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈公司包括：江蘇納維、東莞中鎵、華威海芯（海特高新控股子公司）、耐威科技、蘇州能訊、三安光電、英諾賽科、江蘇華功、江蘇能華（海陸重工參股子公司）、蘇州晶湛、大連芯冠、蘇州捷芯威、聚力成、世紀(jì)金光、山東加睿晶欣、捷笠、四川益豐電子以及13所、55所等軍工單位。
公司較多不一一列舉
十一、氮化鎵市場前景？
目前根據(jù)Yole的統(tǒng)計，2018年，氮化鎵功率和射頻相加僅僅4000萬美金的市場規(guī)模，但是我們認(rèn)為得力于5G基站的建設(shè)高潮，汽車電子、激光雷達(dá)以及消費電子的快速增長，無論是硅基氮化鎵在功率領(lǐng)域，或者碳化硅基氮化鎵在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用，未來會出現(xiàn)較大增長，年均增長率可能超過40%，目前沒有準(zhǔn)確的數(shù)字預(yù)估未來某個時間點的市場規(guī)模，但是這個極具發(fā)展?jié)摿Φ某柈a(chǎn)業(yè)是較為確定的事。
浙江品利基金投研團(tuán)隊
王飛堯、唐李明、陳啟
2020年2月15日
聯(lián)系客服
