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日前，小米用纯线上发布会的方式，发布年度高端旗舰手机小米10系列，还发布了一款重要搭档产品：小米GaN充电器Type-C 65W。值得一提的是，该充电器采用氮化镓(GaN)技术，得到资本市场强烈关注。

氮化镓充电器到底有多强大？先来看几组消息：

• 2月2日消息报道，国外厂商推出了一款名为HyperJuice的100W氮化镓充电器，2A2C，外观只有一副纸牌大小，电源效率达到了95%。yperJuice100W氮化镓充电器的2个USBTypeC接口中的任何一个都可进行100W充电，另外两个USB-A接口最大功率18W。外媒表示，这款小型充电器采用氮化镓作为充电材料，这使得它的大小与一副纸牌差不多，这项技术使HyperJuice的电能效率达到了95%，而与之最接近的同类产品最多只能达到91%。
• 2019年，OPPO首发GaN充电器。OPPO率先在适配器端使用了高频高效的GaN（氮化镓）功率器件，提升充电工作效率的同时实现更小的充电器体积。电池端采用了新一代的串联双3C电芯，并首次在双电芯上使用极耳中置，电芯阻抗更低，支持输入更大6.5A电流，且有效控制温升。另外电池电路设计采用双BTB接口结构，充、放电电路分离，缩短充电路径，进一步提高充电效率。此外， 65W 超级闪充在电荷泵、充电算法等方面也进行优化。
• 贝尔金发布了全新的USB-C氮化镓电源适配器以及无线充电器。贝尔金全新USB-C电源适配器有30W、60W和68W三种选择，全部采用氮化镓技术，尺寸更小。30W充电器可以支持iPadPro和iPhone快充。60W适合13寸MacBookPro。68WUSB-C电源适配器有两个USB-C接口，插头可折叠。
• 2018年ANKER发布了一款型号为PowerPort Atom PD1的充电器，它在当时吸引了很多关注的目光。因为它是全球首款采用了GaN（氮化镓）半导体的消费级产品，以普通手机充电头的体积，输出可达30W的功率。这标志着GaN作为第三代半导体新宠，在消费市场开始走向成熟。

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快充逐渐成为智能手机的招牌或者说是“标配”，例如OPPO推出的65W氮化镓快充充电头器快充充电器，小米9 Pro的40W有线充电……

随着电子科技的不断进步，无论是在消费电子、工业自动化或是汽车、医疗、航空航天等各个领域，都在追求更高的功率密度，以满足逐渐提升的电源需求。电源的发展必然是朝着小体积高效率方面演进，提高工作频率是必然趋式。一种新的充电科技逐渐进入消费者的视野——氮化镓，它的出现在死气沉沉的充电器行业掀起一股了前所未有的技术迭代浪潮。

“GaN”中文名“氮化镓”，是一种新型半导体材料，它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，在早期广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信，被誉为第三代半导体材料。随着技术突破成本得到控制，目前氮化镓还被广泛运用到消费类电子等领域，充电器便是其中一项。

运用了氮化镓元器件的充电器表现为效率高、发热低、功率大但体积小等特点，给我们带来了许许多多的便利性，受到大家的喜

GaN：承上启下的宽禁带半导体材料

GaN 材料与Si/SiC 相比有独特优势。GaN 与SiC 同属于第三代宽禁带半导体材料，相较于已经发展十多年的SiC，GaN 功率器件是后进者，它拥有类似SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。与传统Si 材料相比，基于GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。

GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或0.43）。在大气压力下，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。

基于GaN的开关功率晶体管可实现全新电源应用，与之前使用的硅材料(Si)晶体管相比，在高压下运转时，性能更高，损耗更低。GaN的高频操作特性可以在保持高效率的同时提高性能。如下图表给出了制备功率电子器件的几种半导体材料物性参数。

GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比，其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；较大禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利与提升器件整体的能效；电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。因此，利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件，这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。

与Si基功率电子器件相比，GaN基功率电子器件具有如下3个优点：

高效节能：由于GaN材料特有的极化特性，在AlGaN/GaN异质结间存在极强的极化效应，形成迁移率高达2000和面密度高达量级的高浓度二维电子气(2DEG)。GaN基功率开关器件HFET利用AlGaN/GaN异质结2DEG工作，器件具有导通电阻小、开关速度快的优点，使器件的通态损耗和开关大大降低。

可以使电力电子装置小型化、轻量化，低成本化：GaN材料比Si具有更大的禁带宽度，使GaN器件可以工作在更高温度环境，因此可简化甚至省去散热装置。此外由于GaN器件具有高的开关频率，使得系统的无源器件电容电感的体积大大缩小。这些都使得GaN基电力电子装置能更小型化轻量化，大大降低系统制作成本。

输出功率密度大，驱动力强劲：由于宽禁带等特性，GaN材料的临界击穿电场高达3.4MV/cm，是Si材料的10倍，因此GaN器件具有更高耐压能力。同时GaN基器件利用2DEG工作，获得低导通电阻，高电流密度，因此使GaN器件可以获得更大的功率密度。

GaN充电器之后，还有哪些应用将进入快速普及？

氮化镓作为第三代半导体材料，有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，下游应用包括微波射频器件（通信基站等），电力电子器件（电源等），光电器件（LED 照明等）。

与同属第三代半导体材料的碳化硅相比，氮化镓适用于超高频功率器件领域，GaN 器件最高频率超过 106 Hz，功率在 1000W 左右，开关速度是 SiC MOSFET 的四倍。SiC 的最高频率在 105 Hz 左右，功率约是 GaN 器件的 1000 倍。GaN 定位在高功率、高电压领域，集中在 600V-3300V，中低压集中在 100V-600V，主要应用于雷达、笔记本电源适配器等。

▌氮化镓在通讯基站领域需求—提高功率密度

目前采用氮化镓的微波射频器件主要用于军事领域、4G/5G 通讯基站等，由于涉及军事安全，国外对高性能氮化镓器件实行对华禁运。因此，发展自主氮化镓射频功放产业，有助于打破国外垄断，实现自主可控。

得益于GaN 可处理更高频率和更高能效的电源，相比硅组件，GaN 可以在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率，从而提高功率密度，帮助客户在不增大设计空间的同时满足更高的功率要求。而大范围的5G 网络覆盖要求运营商部署更高功率和运行频率的设备，GaN 的功率密度优势可以满足他们的需求。

▌GaN 成为降低光伏成本关键

GaN 和SiC 器件进入光伏市场，将为小型系统带来更大的竞争优势，主要包括：更低的均化电力成本，提升通过租赁和电力购买协议而销售的电能利润。此外，这些器件还能改善性能和可靠性。据北极星太阳能光伏网援引研究机构Lux Research 报告显示，受太阳能模组的下游需求驱动，宽禁带半导体——即碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)将引领太阳能逆变器隔离器市场在2020 年达到14 亿美元。

▌消费类电源市场将加速GaN无线充电技术的应用

感应充电的主要应用主要集中在消费类电器、新能源汽车以及工业电源三大领域。就目前的技术发展情况来看，消费类电源将成为GaN无线感应充电市场的主要驱动力——GaN功率电子的尺寸非常细小及纤薄，这种特性对于消费类电源尤其是移动设备等产品来说十分有利。

目前设备中的感应充电器实际上是传统的磁感线圈，并没有采用GaN，工作频率是100至300KHz,并使用E、F及S类放大器的转换器拓扑，其工作频率很低，充电速度较慢。在更高的频率下，传统的Si基功率晶体管的开关性能已接近它的极限，而GaN场效应晶体管在这个更高的频率下则可以提供更高效率。

GaN无线充电方案具备可以在高频、高压及高功率下工作的性能。无线感应充电传送通过谐振式耦合线圈驱动以增强电源传送性能，而要实现无线充电方案的最大挑战是放大器的设计，基于GaN功率晶体管的放大器拓扑是最佳的无线感应充电传送解决方案。由于GaN场效应晶体管具备低电容、零反向恢复及低导通阻抗等优势，因此可确保低功耗，从而提高放大器的效率及确保低电磁干扰。因此无线感应充电市场是GaN功率电子的应用中最为看好的市场之一，但目前由于GaN的技术不成熟、可靠性问题和高昂的成本，GaN在无线感应充电充电领域中的渗透有限。一旦GaN高频充电技术成熟，各大移动设备厂商将大量采用GaN功率晶体管，2023年的市场规模将达到1.7亿美元。

▌新能源汽车市场及其他新兴市场是未来中长期的发展领域

GaN可用于48V DC/DC以及OBC(On board charger 车载充电机)。据Yole的预测，2023年该领域的市场规模将达到2500万美元。新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力，也是不同技术路线（Si、SiC和GaN）的主要争夺市场。

从技术上而言，GaN功率器件在48V的混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力：SiC更适合大功率主逆变器，Si基GaN功率电子技术更适合小功率DC/DC和AC/DC转换器。预计到2025年，大部分的轻型车将采用48V逆变器。

同时GaN功率器件也可用于车载充电器（OBC）。目前部分企业正在设计与SiC与GaN兼容的OBC解决方案，一旦GaN技术达到了企业的技术和成本目标，GaN在新能源汽车OBC上的使用可能性将会大大提升。但截至2018年，尽管GaN技术前景广阔，但现实情况并不乐观。由于在新能源汽车的应用中，对器件稳定性和可靠性的要求非常高，需要长时间的质量认证过程，在此过程中需要投入大量的研发经费；而SiC功率器件也将在如新能源汽车等领域与GaN功率器件的形成直接的竞争。在这种情况下，GaN功率器件在新能源汽车领域的应用发展可能还需要较长时间。EPC 生产的 GaN HEMT 是其首款获得汽车AEC-Q101 认证的 GaN 产品。GaN 技术可以提升效率、缩小尺寸及降低系统成本。这些良好的性能使得 GaN 的汽车应用来日可期。

另外，（汽车）激光雷达、数据存储中心、包络追踪等应用都是GaN功率器件新兴的应用市场，基于GaN功率器件的性能优越性，未来市场预期较好，据Yole的预测，上述应用市场在未来5年的年均增速超过65%，部分厂商会已经在高端设备上采用GaN功率器件。因此GaN功率器件未来的市场发展情况除了受到现有的既定市场的影响之外，新兴市场的影响力也不容小觑。

GaN 功率器件产业链

根据 Yole 报告，氮化镓产业链基本包括衬底、外延片、器件制造等环节，其中硅基 衬底主要供应商有德国 Siltronic、日本 Sumco、日本 Shin-Etsu 等企业，而日本的 NTT-AT、比利时的 EpiGaN 和英国的 IQE 等则是硅基 GaN 外延片的主要供应商。部分 厂商则在产业链上延伸，同时生产外延片及器件制造，例如Episil、Bridg、Fujitsu 等。

▌GaN 衬底企业

SiltronicAG。公司是德国主要的硅片供应商，2016年宣布加入IMEC的GaN-on-Si研究计划，为下一代功率半导体器件开发可以大规模生产的8英寸晶圆衬底及相应器件工艺。

苏州纳维科技有限公司。公司成立于2007年5月，以中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所为技术依托，专注于从事氮化镓衬底芯片及相关设备的研发和产业化，提供各类氮化镓材料，目前GaN单晶衬底产品已经提供给300余家客户使用，基本完成了对研发市场的占领，正在提升产能向企业应用市场发展。公司申报相关核心技术专利四十余项。

东莞市中镓半导体科技有限公司。公司成立于2009年，以北京大学宽禁带半导体研究中心为技术依托，是国内领先的专业从事第三代半导体材料研发和制造的高新技术企业。公司创造性地采用MOCVD技术、激光剥离技术、HVPE技术相结合的方法，开发出系列氮化镓（GaN）衬底产品。公司主营产品有：（1）GaN半导体衬底材料，包括GaN衬底，GaN/Al₂O₃复合衬底，图形化蓝宝石衬底（PSS）；（2）生产设备，如激光剥离设备、HVPE设备等。目前公司拥有国家专利128项，国际专利5项。

▌GaN 外延企业

IQE。公司的核心业务是使用外延工艺生产化合物半导体外延片，公司生产的化合物半导体外延层包含各种半导体材料，如镓、砷、铝、铟和磷等。公司GaN、GaAs、lnP等外延材料的独特性能使其能够应用于无线通信、先进太阳能(CPV)、高分辨率红外系统、高效LED照明、高效电源开关，以及使用先进光子激光器和探测器的一系列消费和工业应用领域。

苏州晶湛半导体有限公司。公司成立于2012年3月，在2013年建立了年产2万片6寸GaN外延材料生产线，2014年低在全球首家发布其商品化8英寸硅基氮化镓外延片产品，填补了国家乃至世界氮化镓产业的空白。公司产品包括的硅基、蓝宝石基和碳化硅基氮化镓外延片，截至2016年底在国内外申请了80多项发明专利。

▌GaN 器件设计企业

GaNSystems。公司于2008年在加拿大成立，是一家GaN功率器件的设计和制造商，宝马iVentures是公司战略投资者。公司目前产品为100V/650VGaNE-HEMT，产品被应用到消费电子（更小的交流适配器、无线充电）、数据中心、再生能源、工业和新能源汽车。

Ampleon（安谱隆半导体）。建广资产在2015年以18亿美元收购NXP旗下的RFPower部门，后来成立安谱隆半导体，其主要业务包括LDMOS、SiC基GaN功率放大器等射频器件的设计。公司总部位于荷兰奈梅根，2016年安谱隆半导体（合肥）有限公司成立，作为荷兰Ampleon公司在中国区的研发和销售中心，致力于在射频技术等领域的创新和研发。

▌GaN 器件制造企业

稳懋半导体股份有限公司。公司成立于1999年，是全球首座以6英寸晶圆生产GaAsMMIC的专业晶圆代工服务公司，公司于2013年研发完成GaN制程，并于2016年开始有少量营收贡献。目前公司在GaN领域拥有0.25um28VOperationGaNHEMT和0.45um50VOperationGaNHEMT工艺制程。

环宇通讯半导体责任有限公司。公司成立于1997年，主要从事GaAs/lnP/GaN高阶射频及光电元件化合物半导体晶圆代工业务，目前公司拥有0.15umGaN/SiCHEMT制程以及用于下一代高功率放大器的GaN/DiamondHEMT工艺。

三安集成电路有限公司。公司成立于2014年5月，总规划用地281亩，总投资额30亿元，新建适用于专业通讯微电子器件市场的砷化镓高速半导体芯片与氮化镓高功率半导体芯片生产线，规划30万片/年6寸GaAs以及6万片/年6寸GaN产能。目前公司GaN器件包括射频器件和功率器件，包括0.5umGaNMIS-HEMT、0.5umP-GaNHEMT、0.45um/0.25um/0.15umGaN/SiC工艺制程，目前仍然处于小批量送样阶段。

成都海威华芯科技有限公司。公司成立于2015年，2016年4月，第一条6英寸GaAs生产流程打通，同年10月，6寸GaAs生产线建成投用。2017年8月，公司顺利生产第一片完整的GaN工艺样片。公司是集工艺开发、器件模型制造于一体的第二代/第三代化合物半导体集成电路领域的开放平台，目前公司拥有GaAs025umpHEMT/GaNHEMT集成电路工艺制程。

▌IDM（外延+设计+制造）

英飞凌科技股份公司。公司是全球领先的半导体科技公司，公司产品包括功率器件、ASIC、传感器、汽车系统芯片等。公司在宽禁带半导体市场有CoolSiC和CoolGaN两条业务线，其中CoolGaN产品主要为600V增强型GaN功率晶体管，主要应用于服务器、通讯、电源、无线充电等。

江苏华功半导体有限公司。公司成立于2016年5月，业内著名的北京大学、中山大学、中国电子信息产业集团(CEC)下属合肥彩虹蓝光科技有限公司以及东莞中镓半导体科技有限公司组成公司技术团队，核心业务涵盖以第三代半导体氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为主的电力电子器件全产业链产品。公司可以提供2-8英寸GaNonSi功率电器器件外延片产品以及650V5A-60A系列化PowerFETs。

英诺赛科（珠海）科技有限公司。公司是2015年12月由海归团队发起创办，从事第三代宽禁带半导体电力电子器件的研发与生产，已完成投资10.9亿元并建设8英寸增强型硅基氮化镓外延与芯片大规模量产生产线。公司商业模式将采用IDM全产业链模式，打造集研发、设计、外延生长、芯片制造、测试于一体的生产平台。目前公司产品包括30V-650V氮化镓功率与5G射频器件。

大连芯冠科技有限公司。公司成立于2016年3月，是一家由海外归国团队创立的半导体高科技企业，主要从事第三代半导体功率器件的研发、设计、生产和销售。公司已实现6英寸650V硅基氮化镓外延片和功率器件的量产，射频芯片的研发与产业化准备工作亦已展开，产品将定位为10GHz以下的射频通讯和射频能量市场。

苏州能讯高能半导体有限公司。公司创立于2007年，是由获得中国第一批“千人计划”支持的海外归国人员创办的，公司致力于GaN射频功率器件的开发和生产，目前是国内除科研院所外唯一一家在GaN射频功率器件领域拥有独立氮化镓FAB工厂和生产能力的IDM公司。公司产品包括GaN射频功率晶体管、无线通信GaN射频功放管、氮化镓管芯等。

江苏能华微电子科技发展有限公司。公司成立于2010年6月，是由国家千人计划专家朱廷刚博士领衔的，由美澳日归国团队创办的一家专业设计、研发，生产、制造和销售以氮化镓（GaN）产品的公司。目前公司生产GaN外延片、GaN肖特基二极管以及对2’/3’/4’/6’GaAs、GaN代工生产LED、二极管、FET和晶体管。

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