三代半导体——氮化镓

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。

氮化镓的优异特性

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。

为什么氮化镓快充头可以这么小巧？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IGBT/MOSFET 等芯片面积更小，同时由于更耐高压，大电流，氮化镓芯片功率密度更大，因此功率密度/面积远超硅基，此外由于使用氮化镓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。

传统硅基功率器件和氮化镓MOS对比

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。

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，相当一部分的成本来自于氮化镓MOS功率芯片。

制造氮化镓MOS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的硅片的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。

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。

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。

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。

此外商业场景应用，还需要考虑成本的问题

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，目前，全球最有可能优先部署的5G频段为n77、n78、n79、n257、n258和n260，就是3.3GHz-4.2GHz、 4.4GHz-5.0GHz和毫米波频段26GHz/28GHz/39GHz。而67GHz标准频段则完全是氮化镓的天下，毫米波频段的一个特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较弱。换句话说，用毫米波实现信号穿墙基本是不可能。但是，毫米波在空气中传输衰减大也可以被我们所利用，所谓”It's not a bug，it's a feature！”:你手机使用的毫米波信号衰减确实比较大，但是同样地其他终端发射出的毫米波信号（对你而言是干扰信号）的衰减也很大，所以毫米波系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号，只要不同的终端之间不要靠得太近就可以。选择60GHz更是把这一点利用到了极致，因为60GHz正好是氧气的共振频率，因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快，从而可以完全避免不同终端之间的干扰。

当然，毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。（氮化镓芯片如若运用在少部分人口密度特别高的建筑如机场地铁站高铁站而不是普遍使用那么成本因素对其影响会大大降低）因此我们可以说未来5G和氮化镓是绝配。

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。

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。

全球产业链公司包括：美国EPC、加拿大GaNsysterms、美国Dialog、美国Navitas、以色列VisIC Tech、GaN Pi，以及三大射频skyworks、Qorvo、安华高等、比利时EPI、台湾嘉晶电子、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等。

大陆产业链公司包括：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

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，2019年全球氮化镓半导体器件市场规模为9.749亿美元。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%以上，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。

总结

一、氮化镓好东西、可惜太贵，产业呼唤更先进、更高效的材料制备技术，来降低原材料的价格。

二、氮化镓1928年就被发现了，到现在才慢慢进入商业落地，但是还有很多细节东西需要积累。

三、氮化镓产业应用面越来越广，消费者购买情绪高涨，上游厂家不断扩产，降低成本，再次促进氮化镓的产品应用，已经形成良性循环，产业规模迅速扩大。

氮化镓初始运用

相控阵雷达相控阵雷达运用了大量的氮化镓的射频器件。军工领域对于三代半导体的应用层出不穷。包括氮化镓和碳化硅的功率器件，未来也会发挥重要作用。

5G通讯

硅材料作为通讯材料的老大，一只称霸到如今，真是有些力不从心了，用出了吃奶的力气，也难以承受5G通讯那么高的带宽速度的重压了。所以只有靠氮化镓类的三代半导体元器件来完成。在国内就目前的情况无论是华为、中兴的通讯企业，还是在这个行业苦干多年得专业射频器件生产企业，都对其虎视眈眈未来定会是一个腥风血雨的战场，也会是一场饕鬄盛宴。

物联网

网上曾经流传过一句马云说的话：未来世界互联网将会消失取而代之的是物联网。真的是他说的吗？我觉得探寻这个没有意义。物联网毋庸置疑一定会成为时代的热点，他已经按下了门铃。在这里将会充斥着三代半导体的射频和功率器件。

电动汽车

未来电动汽车的动力主要依靠三代半导体功率器件，碳化硅氮化镓都会在电动汽车里拥有巨大的市场。仅功率器件一项，每辆车就会增加约为300美金的需求。

相较目前主流的硅晶圆(Si)，第三代半导体材料SiC及GaN除了耐高电压的特色外，也分别具备耐高温与适合在高频操作下的优势，不仅可使芯片面积可大幅减少，并能简化周边电路的设计，达到减少模组、系统周边的零组件及冷却系统的体积。

此外，除了轻化车辆设计之外，因第三代半导体的低导通电阻及低切换损失的特性，也能大幅降低车辆运转时的能源转换损失，两者对于电动车续航力的提升有相当的帮助。

因此，SiC及GaN功率组件的技术与市场发展，与电动车的发展密不可分。

机器人

节能、小型、大功率、高反应速度的第三代半导体。无论是在工业机器人还是家用机器人、亦或是无人机都在为其孕育着巨大的市场机会。

白色家电

同于机器人白色家电的市场规模绝对不容忽视，随着智能家居的发展普及白色家电物联网，智能穿戴一定会紧密融合，人们的生活将会因此而改变。

互联网

现在如果一个产品如果不能和互联网扯上联系那就是一个没有前途的孩子都不会蹭热点，但是互联网靠什么来维持，云计算、大数据腥风血雨的战场如果没有三代半导体怎么生存下来。

智能电网

所有的电力来源都依赖于它。总之，三代半导体就如同建筑业的钢筋水泥一样，遍布在这个电子电力产品充斥的社会每一个角落。其实严格讲不是互联网改变了世界而是半导体改变了世界近几十年的发展。

提到半导体行业，对于中国来说无疑是沉重的。

沉重的来源在于我们在第一代和第二代半导体产业中，始终是一个孩童（虽然海思杀出重围但是其他没什么能打的）虽然我们可以成为行业的封装测试大国，但是却难以成为这个行业的强国。动辄百亿级别的投资，让整个行业的人喘不过气来。

三代半导体的主线，似乎给我们一个在国际半导体领域实现弯道超车的绝佳机会

为什么这样说主要基于以下几个事实：

1、三代半导体出现于改革开放初期，中国刚刚走向新时代。中国的科研力量开始恢复正常，所以我们并没有像第一和第二代半导体一样，由于经历了10年浩劫导致整体产业落后

2、LED的发展使得中国具备了发展三代半导体，特别是氮化镓的产业基础。虽然LED和功率半导体隔行，但是毕竟中国在这个领域取得了优异的成绩，全球主要的制造设备，产业链配套、技术人员都集中在中国。

3、中国在微电子硅领域已经进行了20多年的产业进化，虽然为我们在微电子方面离世界水平还有一段距离，但三代半导体功率器件恰恰是用微电子的6寸、8寸工艺。对于加工精度的要求在微电子领域技术难度不大。

4、中国是世界上最大的半导体器件市场，强大的市场拉动使得全球任何一家第

三代半导体公司都把中国列为重要市场国内企业自然是近水楼台先得月

5、镓是地球上存在的一种贵金属材料，大约排名第十左右，中国储量全球第一。

总而言之氮化镓之于我们

而对于中国厂商而言，氮化镓也是一个“弯道超车”的机遇。

由于众所周知的原因，在第一代半导体的“硅”（主要解决数据运算、存储）、二代半导体的“砷化镓”（光纤通讯），我国没有享受到研发红利。

在2016年科技部的“战略性先进电子材料”重点专项，其中就明确要求：实现以自主可控的氮化镓基射频器件和电路成套技术，推动我国第三代半导体在射频功率领域的可持续发展。

氮化镓在二十年前就已经用于LED业界，而LED领域正是我国的强项，虽然LED和射频器件领域并不太重合，但我国还是具备了一定的先发优势。

而在先发优势之下，我国取得了不错的成绩：2010年可自行研发生产氮化镓晶片、成本相比国际同行低廉很多。技术代差也从一代半导体的十年缩小到了三年。

并且，我国正在针对氮化镓的上下游进行全方位的攻关：上层的基底材料（如纳维科技）、中层的器件模组（如英诺赛科）、以及下层的系统和应用。近年来，随着氮化镓市场的扩大，各个环节都出现了大量的国内厂商。当然，半导体产业化绝非一朝一夕之功，5G的生态建设也注定会有挫折困难。但我们相信在未来，我们听到“国产氮化镓”这个名字的机会将会越来越多。