氮化鎵（GaN），是由氮和鎵組成的一種半導體材料，因為其禁帶寬度大於2.2eV,又被稱為寬禁帶半導體材料，在國內也稱為第三代半導體材料。
氮化鎵和其他半導體材料對比
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，熱導率高2倍。這些性能提升帶來一些的優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。
氮化鎵的優異特性
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。
為什麼氮化鎵快充頭可以這麼小巧？功率還這麼大？
這就是得益於氮化鎵材料本身優異的性能，使得做出來的氮化鎵比傳統硅基IGBT/MOSFET 等芯片面積更小，同時由於更耐高壓，大電流，氮化鎵芯片功率密度更大，因此功率密度/面積遠超硅基，此外由於使用氮化鎵芯片後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。
傳統硅基功率器件和氮化鎵MOS對比
除了快充，氮化鎵還有其他什麼重要應用？
氮化鎵材料，目前有三個比較重要的方向，分別是光電領域，包括我們現在常見的LED，以及激光雷達和VCSEL傳感器；功率領域，各類電子電力器件應用在快充頭，變頻器，新能源汽車，消費電子等電子電力轉換場景；射頻領域，包括5G基站，軍事雷達，低軌衞星，航天航空等領域。
為什麼氮化鎵快充電頭這麼貴？
本次快充頭中除了PD協議成本，其他硬件材料電容電感線圈電源管理IC等之外，相當一部分的成本來自於氮化鎵MOS功率芯片。
製造氮化鎵MOS的原材料就是氮化鎵單晶片，目前單晶2英寸就高達2萬多元一片。商業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，而且產能不足，很難買到。硅基氮化鎵是同面積的硅片的30多倍。
所以説過於昂貴的原材料導致了氮化鎵芯片非常昂貴，最終傳到到終端產品就看到高出普通充電頭數倍的價格。
氮化鎵材料為什麼如此昂貴？
氮化鎵是自然界沒有的物質，完全要靠人工合成。氮化鎵沒有液態，因此不能使用單晶硅生產工藝的傳統直拉法拉出單晶，純靠氣體反應合成。由於反應時間長，速度慢，反應副產物多，設備要求苛刻，技術異常複雜，產能極低，導致氮化鎵單晶材料極其難得，因此2英寸售價便高達2萬多。商業場景中，更多使用氮化鎵異質外延片。
什麼叫氮化鎵異質外延片？
在氮化鎵單晶襯底上長氮化鎵外延層我們稱為同質外延，在其他襯底材料上長氮化鎵我們稱為異質外延片。
目前包括藍寶石，碳化硅，硅等是氮化鎵外延片主流的異質襯底材料。
其中藍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製造大功率LED、功率器件和大功率射頻芯片。
本次小米發售的快充頭，就是硅基氮化鎵做的功率器件的一個典型應用場景。
為什麼同是外延片，應用差異這麼大？
氮化鎵外延片的用來製造器件有很多具體的指標，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量差別較大。
其中氮化鎵和3C碳化硅，有着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，外延層質量非常好，可以用來做高端產品，包括大射頻功率、大功率器件、大功率LED、激光雷達等。
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。需要長多道緩衝層來過渡，因此外延層質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。
藍寶石基氮化鎵，因為襯底材料的問題，無法應用到射頻和功率領域，只能用作普通的LED燈。
雖然都是氮化鎵外延片，但是由於襯底材料的不同，外延層晶體質量差異較大，應用也不盡相同。
藍寶石片最便宜，硅基次之，碳化硅較貴，氮化鎵最貴。
此外商業場景應用，還需要考慮成本的問題
氮化鎵在射頻領域的應用？
氮化鎵雖然性能優異，但是價格過於昂貴，當下無論是移動端還是基站端，是用不起的，傳統的硅基LDMOS和砷化鎵芯片就能滿足應用，目前僅在軍工雷達領域，有一定的應用，民用場景較少。
目前5G Sub-6標準頻率不超過6GHz，因此砷化鎵和LDMOS就可以滿足應用，但是到5G毫米波標準，LDMOS就無法用了，28GHz頻段砷化鎵還能一戰，40GHz頻段標準砷化鎵就非常吃力了，目前，全球最有可能優先部署的5G頻段為n77、n78、n79、n257、n258和n260，就是3.3GHz-4.2GHz、 4.4GHz-5.0GHz和毫米波頻段26GHz/28GHz/39GHz。而67GHz標準頻段則完全是氮化鎵的天下，毫米波頻段的一個特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。換句話説，用毫米波實現信號穿牆基本是不可能。但是，毫米波在空氣中傳輸衰減大也可以被我們所利用，所謂”It's not a bug，it's a feature！”:你手機使用的毫米波信號衰減確實比較大，但是同樣地其他終端發射出的毫米波信號（對你而言是干擾信號）的衰減也很大，所以毫米波系統在設計的時候不用特別考慮如何處理干擾信號，只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點利用到了極致，因為60GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波信號在空氣中衰減非常快，從而可以完全避免不同終端之間的干擾。
當然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點也註定了毫米波技術不太適合使用在室外手機終端和基站距離很遠的場合。各大廠商對5G頻段使用的規劃是在户外開闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現超高速數據傳輸。（氮化鎵芯片如若運用在少部分人口密度特別高的建築如機場地鐵站高鐵站而不是普遍使用那麼成本因素對其影響會大大降低）因此我們可以説未來5G和氮化鎵是絕配。
氮化鎵目前主要工藝節點是多少nm線寬？有特殊工藝嗎？設備需要更換嗎？傳統硅基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英寸主流工藝節點包括0.35u-0.13um等製程。
8英寸硅基氮化鎵與傳統8英寸Fab設備兼容，預測大約50%-60%可以重複利用，比如黃光區設備應該差距不大。但是部分設備由於氮化鎵材料的問題，需要更新設備，比如外延設備、刻蝕設備、氧化擴散設備、拋光去除設備、離子注入機等。
碳化硅基氮化鎵最大為6英寸，6英寸工藝節點覆蓋0.5u-0.25um。
做功率應該與傳統硅基結構差別不大，但是做射頻應該有較大差異性，其每家射頻公司的設計方案都不盡相同，導致其芯片內部結構差異較大。
國外有那些產業鏈公司
目前國內外做氮化鎵的公司也不少，屬於一個蓬勃發展的產業，創新公司層出不窮。
全球產業鏈公司包括：美國EPC、加拿大GaNsysterms、美國Dialog、美國Navitas、以色列VisIC Tech、GaN Pi，以及三大射頻skyworks、Qorvo、安華高等、比利時EPI、台灣嘉晶電子、漢磊、台灣欣邦、台積電、聯電、TI、日本松下、韓國三星、美國IR、安森美、ST、德國X-FAB、世界先進、Towerjazz,日本DOWA等。
大陸產業鏈公司包括：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
氮化鎵市場前景？
目前根據Yole的統計，2018年，氮化鎵功率和射頻相加僅僅4000萬美金的市場規模，2019年全球氮化鎵半導體器件市場規模為9.749億美元。但是我們認為得力於5G基站的建設高潮，汽車電子、激光雷達以及消費電子的快速增長，無論是硅基氮化鎵在功率領域，或者碳化硅基氮化鎵在射頻領域的應用，未來會出現較大增長，年均增長率可能超過40%以上，目前沒有準確的數字預估未來某個時間點的市場規模，但是這個極具發展潛力的朝陽產業是較為確定的事。
總結
一、氮化鎵好東西、可惜太貴，產業呼喚更先進、更高效的材料製備技術，來降低原材料的價格。
二、氮化鎵1928年就被發現了，到現在才慢慢進入商業落地，但是還有很多細節東西需要積累。
三、氮化鎵產業應用面越來越廣，消費者購買情緒高漲，上游廠家不斷擴產，降低成本，再次促進氮化鎵的產品應用，已經形成良性循環，產業規模迅速擴大。
氮化鎵初始運用
相控陣雷達相控陣雷達運用了大量的氮化鎵的射頻器件。軍工領域對於三代半導體的應用層出不窮。包括氮化鎵和碳化硅的功率器件，未來也會發揮重要作用。
5G通訊
硅材料作為通訊材料的老大，一隻稱霸到如今，真是有些力不從心了，用出了吃奶的力氣，也難以承受5G通訊那麼高的帶寬速度的重壓了。所以只有靠氮化鎵類的三代半導體元器件來完成。在國內就目前的情況無論是華為、中興的通訊企業，還是在這個行業苦幹多年得專業射頻器件生產企業，都對其虎視眈眈未來定會是一個腥風血雨的戰場，也會是一場饕鬄盛宴。
物聯網
網上曾經流傳過一句馬雲説的話：未來世界互聯網將會消失取而代之的是物聯網。真的是他説的嗎？我覺得探尋這個沒有意義。物聯網毋庸置疑一定會成為時代的熱點，他已經按下了門鈴。在這裏將會充斥着三代半導體的射頻和功率器件。
電動汽車
未來電動汽車的動力主要依靠三代半導體功率器件，碳化硅氮化鎵都會在電動汽車裏擁有巨大的市場。僅功率器件一項，每輛車就會增加約為300美金的需求。
相較目前主流的硅晶圓(Si)，第三代半導體材料SiC及GaN除了耐高電壓的特色外，也分別具備耐高温與適合在高頻操作下的優勢，不僅可使芯片面積可大幅減少，並能簡化周邊電路的設計，達到減少模組、系統周邊的零組件及冷卻系統的體積。
此外，除了輕化車輛設計之外，因第三代半導體的低導通電阻及低切換損失的特性，也能大幅降低車輛運轉時的能源轉換損失，兩者對於電動車續航力的提升有相當的幫助。
因此，SiC及GaN功率組件的技術與市場發展，與電動車的發展密不可分。
機器人
節能、小型、大功率、高反應速度的第三代半導體。無論是在工業機器人還是家用機器人、亦或是無人機都在為其孕育着巨大的市場機會。
白色家電
同於機器人白色家電的市場規模絕對不容忽視，隨着智能家居的發展普及白色家電物聯網，智能穿戴一定會緊密融合，人們的生活將會因此而改變。
互聯網
現在如果一個產品如果不能和互聯網扯上聯繫那就是一個沒有前途的孩子都不會蹭熱點，但是互聯網靠什麼來維持，雲計算、大數據腥風血雨的戰場如果沒有三代半導體怎麼生存下來。
智能電網
所有的電力來源都依賴於它。總之，三代半導體就如同建築業的鋼筋水泥一樣，遍佈在這個電子電力產品充斥的社會每一個角落。其實嚴格講不是互聯網改變了世界而是半導體改變了世界近幾十年的發展。
提到半導體行業，對於中國來説無疑是沉重的。
沉重的來源在於我們在第一代和第二代半導體產業中，始終是一個孩童（雖然海思殺出重圍但是其他沒什麼能打的）雖然我們可以成為行業的封裝測試大國，但是卻難以成為這個行業的強國。動輒百億級別的投資，讓整個行業的人喘不過氣來。
三代半導體的主線，似乎給我們一個在國際半導體領域實現彎道超車的絕佳機會
為什麼這樣説主要基於以下幾個事實：
1、三代半導體出現於改革開放初期，中國剛剛走向新時代。中國的科研力量開始恢復正常，所以我們並沒有像第一和第二代半導體一樣，由於經歷了10年浩劫導致整體產業落後
2、LED的發展使得中國具備了發展三代半導體，特別是氮化鎵的產業基礎。雖然LED和功率半導體隔行，但是畢竟中國在這個領域取得了優異的成績，全球主要的製造設備，產業鏈配套、技術人員都集中在中國。
3、中國在微電子硅領域已經進行了20多年的產業進化，雖然為我們在微電子方面離世界水平還有一段距離，但三代半導體功率器件恰恰是用微電子的6寸、8寸工藝。對於加工精度的要求在微電子領域技術難度不大。
4、中國是世界上最大的半導體器件市場，強大的市場拉動使得全球任何一家第
三代半導體公司都把中國列為重要市場國內企業自然是近水樓台先得月
5、鎵是地球上存在的一種貴金屬材料，大約排名第十左右，中國儲量全球第一。
總而言之氮化鎵之於我們
而對於中國廠商而言，氮化鎵也是一個“彎道超車”的機遇。
由於眾所周知的原因，在第一代半導體的“硅”（主要解決數據運算、存儲）、二代半導體的“砷化鎵”（光纖通訊），我國沒有享受到研發紅利。
在2016年科技部的“戰略性先進電子材料”重點專項，其中就明確要求：實現以自主可控的氮化鎵基射頻器件和電路成套技術，推動我國第三代半導體在射頻功率領域的可持續發展。
氮化鎵在二十年前就已經用於LED業界，而LED領域正是我國的強項，雖然LED和射頻器件領域並不太重合，但我國還是具備了一定的先發優勢。
而在先發優勢之下，我國取得了不錯的成績：2010年可自行研發生產氮化鎵晶片、成本相比國際同行低廉很多。技術代差也從一代半導體的十年縮小到了三年。
並且，我國正在針對氮化鎵的上下游進行全方位的攻關：上層的基底材料（如納維科技）、中層的器件模組（如英諾賽科）、以及下層的系統和應用。近年來，隨着氮化鎵市場的擴大，各個環節都出現了大量的國內廠商。當然，半導體產業化絕非一朝一夕之功，5G的生態建設也註定會有挫折困難。但我們相信在未來，我們聽到“國產氮化鎵”這個名字的機會將會越來越多。