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日前，小米用純線上發布會的方式，發布年度高端旗艦手機小米10系列，還發布了一款重要搭檔產品：小米GaN充電器Type-C 65W。值得一提的是，該充電器採用氮化鎵(GaN)技術，得到資本市場強烈關注。

氮化鎵充電器到底有多強大？先來看幾組消息：

• 2月2日消息報道，國外廠商推出了一款名為HyperJuice的100W氮化鎵充電器，2A2C，外觀只有一副紙牌大小，電源效率達到了95%。yperJuice100W氮化鎵充電器的2個USBTypeC接口中的任何一個都可進行100W充電，另外兩個USB-A接口最大功率18W。外媒表示，這款小型充電器採用氮化鎵作為充電材料，這使得它的大小與一副紙牌差不多，這項技術使HyperJuice的電能效率達到了95%，而與之最接近的同類產品最多只能達到91%。
• 2019年，OPPO首發GaN充電器。OPPO率先在適配器端使用了高頻高效的GaN（氮化鎵）功率器件，提升充電工作效率的同時實現更小的充電器體積。電池端採用了新一代的串聯雙3C電芯，並首次在雙電芯上使用極耳中置，電芯阻抗更低，支持輸入更大6.5A電流，且有效控制溫升。另外電池電路設計採用雙BTB接口結構，充、放電電路分離，縮短充電路徑，進一步提高充電效率。此外， 65W 超級閃充在電荷泵、充電算法等方面也進行優化。
• 貝爾金髮布了全新的USB-C氮化鎵電源適配器以及無線充電器。貝爾金全新USB-C電源適配器有30W、60W和68W三種選擇，全部採用氮化鎵技術，尺寸更小。30W充電器可以支持iPadPro和iPhone快充。60W適合13寸MacBookPro。68WUSB-C電源適配器有兩個USB-C接口，插頭可摺疊。
• 2018年ANKER發布了一款型號為PowerPort Atom PD1的充電器，它在當時吸引了很多關注的目光。因為它是全球首款採用了GaN（氮化鎵）半導體的消費級產品，以普通手機充電頭的體積，輸出可達30W的功率。這標誌著GaN作為第三代半導體新寵，在消費市場開始走向成熟。

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快充逐漸成為智慧型手機的招牌或者說是「標配」，例如OPPO推出的65W氮化鎵快充充電頭器快充充電器，小米9 Pro的40W有線充電……

隨著電子科技的不斷進步，無論是在消費電子、工業自動化或是汽車、醫療、航空航天等各個領域，都在追求更高的功率密度，以滿足逐漸提升的電源需求。電源的發展必然是朝著小體積高效率方面演進，提高工作頻率是必然趨式。一種新的充電科技逐漸進入消費者的視野——氮化鎵，它的出現在死氣沉沉的充電器行業掀起一股了前所未有的技術疊代浪潮。

「GaN」中文名「氮化鎵」，是一種新型半導體材料，它具有禁帶寬度大、熱導率高、耐高溫、抗輻射、耐酸鹼、高強度和高硬度等特性，在早期廣泛運用於新能源汽車、軌道交通、智能電網、半導體照明、新一代移動通信，被譽為第三代半導體材料。隨著技術突破成本得到控制，目前氮化鎵還被廣泛運用到消費類電子等領域，充電器便是其中一項。

運用了氮化鎵元器件的充電器表現為效率高、發熱低、功率大但體積小等特點，給我們帶來了許許多多的便利性，受到大家的喜

GaN：承上啟下的寬禁帶半導體材料

GaN 材料與Si/SiC 相比有獨特優勢。GaN 與SiC 同屬於第三代寬禁帶半導體材料，相較於已經發展十多年的SiC，GaN 功率器件是後進者，它擁有類似SiC 性能優勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力。與傳統Si 材料相比，基於GaN 材料製備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉換效率，並可以使系統小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統製作及生產成本。

GaN 是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN 具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或0.43）。在大氣壓力下，GaN 晶體一般是六方纖鋅礦結構。

基於GaN的開關功率電晶體可實現全新電源應用，與之前使用的矽材料(Si)電晶體相比，在高壓下運轉時，性能更高，損耗更低。GaN的高頻操作特性可以在保持高效率的同時提高性能。如下圖表給出了製備功率電子器件的幾種半導體材料物性參數。

GaN和SiC同屬於第三代高大禁帶寬度的半導體材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比，其在特性上優勢突出。由於禁帶寬度大、導熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場，使得器件導通電阻減少，有利與提升器件整體的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。因此，利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導體器件，這與半導體行業一貫的「調性」是吻合的。

與Si基功率電子器件相比，GaN基功率電子器件具有如下3個優點：

高效節能：由於GaN材料特有的極化特性，在AlGaN/GaN異質結間存在極強的極化效應，形成遷移率高達2000和面密度高達量級的高濃度二維電子氣(2DEG)。GaN基功率開關器件HFET利用AlGaN/GaN異質結2DEG工作，器件具有導通電阻小、開關速度快的優點，使器件的通態損耗和開關大大降低。

可以使電力電子裝置小型化、輕量化，低成本化：GaN材料比Si具有更大的禁帶寬度，使GaN器件可以工作在更高溫度環境，因此可簡化甚至省去散熱裝置。此外由於GaN器件具有高的開關頻率，使得系統的無源器件電容電感的體積大大縮小。這些都使得GaN基電力電子裝置能更小型化輕量化，大大降低系統製作成本。

輸出功率密度大，驅動力強勁：由於寬禁帶等特性，GaN材料的臨界擊穿電場高達3.4MV/cm，是Si材料的10倍，因此GaN器件具有更高耐壓能力。同時GaN基器件利用2DEG工作，獲得低導通電阻，高電流密度，因此使GaN器件可以獲得更大的功率密度。

GaN充電器之後，還有哪些應用將進入快速普及？

氮化鎵作為第三代半導體材料，有更高的禁帶寬度，是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，下游應用包括微波射頻器件（通信基站等），電力電子器件（電源等），光電器件（LED 照明等）。

與同屬第三代半導體材料的碳化矽相比，氮化鎵適用於超高頻功率器件領域，GaN 器件最高頻率超過 106 Hz，功率在 1000W 左右，開關速度是 SiC MOSFET 的四倍。SiC 的最高頻率在 105 Hz 左右，功率約是 GaN 器件的 1000 倍。GaN 定位在高功率、高電壓領域，集中在 600V-3300V，中低壓集中在 100V-600V，主要應用於雷達、筆記本電源適配器等。

▌氮化鎵在通訊基站領域需求—提高功率密度

目前採用氮化鎵的微波射頻器件主要用于軍事領域、4G/5G 通訊基站等，由於涉及軍事安全，國外對高性能氮化鎵器件實行對華禁運。因此，發展自主氮化鎵射頻功放產業，有助於打破國外壟斷，實現自主可控。

得益於GaN 可處理更高頻率和更高能效的電源，相比矽組件，GaN 可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率，從而提高功率密度，幫助客戶在不增大設計空間的同時滿足更高的功率要求。而大範圍的5G 網絡覆蓋要求運營商部署更高功率和運行頻率的設備，GaN 的功率密度優勢可以滿足他們的需求。

▌GaN 成為降低光伏成本關鍵

GaN 和SiC 器件進入光伏市場，將為小型系統帶來更大的競爭優勢，主要包括：更低的均化電力成本，提升通過租賃和電力購買協議而銷售的電能利潤。此外，這些器件還能改善性能和可靠性。據北極星太陽能光伏網援引研究機構Lux Research 報告顯示，受太陽能模組的下游需求驅動，寬禁帶半導體——即碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)將引領太陽能逆變器隔離器市場在2020 年達到14 億美元。

▌消費類電源市場將加速GaN無線充電技術的應用

感應充電的主要應用主要集中在消費類電器、新能源汽車以及工業電源三大領域。就目前的技術發展情況來看，消費類電源將成為GaN無線感應充電市場的主要驅動力——GaN功率電子的尺寸非常細小及纖薄，這種特性對於消費類電源尤其是移動設備等產品來說十分有利。

目前設備中的感應充電器實際上是傳統的磁感線圈，並沒有採用GaN，工作頻率是100至300KHz,並使用E、F及S類放大器的轉換器拓撲，其工作頻率很低，充電速度較慢。在更高的頻率下，傳統的Si基功率電晶體的開關性能已接近它的極限，而GaN場效應電晶體在這個更高的頻率下則可以提供更高效率。

GaN無線充電方案具備可以在高頻、高壓及高功率下工作的性能。無線感應充電傳送通過諧振式耦合線圈驅動以增強電源傳送性能，而要實現無線充電方案的最大挑戰是放大器的設計，基於GaN功率電晶體的放大器拓撲是最佳的無線感應充電傳送解決方案。由於GaN場效應電晶體具備低電容、零反向恢復及低導通阻抗等優勢，因此可確保低功耗，從而提高放大器的效率及確保低電磁干擾。因此無線感應充電市場是GaN功率電子的應用中最為看好的市場之一，但目前由於GaN的技術不成熟、可靠性問題和高昂的成本，GaN在無線感應充電充電領域中的滲透有限。一旦GaN高頻充電技術成熟，各大移動設備廠商將大量採用GaN功率電晶體，2023年的市場規模將達到1.7億美元。

▌新能源汽車市場及其他新興市場是未來中長期的發展領域

GaN可用於48V DC/DC以及OBC(On board charger 車載充電機)。據Yole的預測，2023年該領域的市場規模將達到2500萬美元。新能源汽車無疑是電力電子設備市場的主要驅動力，也是不同技術路線（Si、SiC和GaN）的主要爭奪市場。

從技術上而言，GaN功率器件在48V的混合動力汽車領域將擁有較強的競爭力：SiC更適合大功率主逆變器，Si基GaN功率電子技術更適合小功率DC/DC和AC/DC轉換器。預計到2025年，大部分的輕型車將採用48V逆變器。

同時GaN功率器件也可用於車載充電器（OBC）。目前部分企業正在設計與SiC與GaN兼容的OBC解決方案，一旦GaN技術達到了企業的技術和成本目標，GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會大大提升。但截至2018年，儘管GaN技術前景廣闊，但現實情況並不樂觀。由於在新能源汽車的應用中，對器件穩定性和可靠性的要求非常高，需要長時間的質量認證過程，在此過程中需要投入大量的研發經費；而SiC功率器件也將在如新能源汽車等領域與GaN功率器件的形成直接的競爭。在這種情況下，GaN功率器件在新能源汽車領域的應用發展可能還需要較長時間。EPC 生產的 GaN HEMT 是其首款獲得汽車AEC-Q101 認證的 GaN 產品。GaN 技術可以提升效率、縮小尺寸及降低系統成本。這些良好的性能使得 GaN 的汽車應用來日可期。

另外，（汽車）雷射雷達、數據存儲中心、包絡追蹤等應用都是GaN功率器件新興的應用市場，基於GaN功率器件的性能優越性，未來市場預期較好，據Yole的預測，上述應用市場在未來5年的年均增速超過65%，部分廠商會已經在高端設備上採用GaN功率器件。因此GaN功率器件未來的市場發展情況除了受到現有的既定市場的影響之外，新興市場的影響力也不容小覷。

GaN 功率器件產業鏈

根據 Yole 報告，氮化鎵產業鏈基本包括襯底、外延片、器件製造等環節，其中矽基 襯底主要供應商有德國 Siltronic、日本 Sumco、日本 Shin-Etsu 等企業，而日本的 NTT-AT、比利時的 EpiGaN 和英國的 IQE 等則是矽基 GaN 外延片的主要供應商。部分 廠商則在產業鏈上延伸，同時生產外延片及器件製造，例如Episil、Bridg、Fujitsu 等。

▌GaN 襯底企業

SiltronicAG。公司是德國主要的矽片供應商，2016年宣布加入IMEC的GaN-on-Si研究計劃，為下一代功率半導體器件開發可以大規模生產的8英寸晶圓襯底及相應器件工藝。

蘇州納維科技有限公司。公司成立於2007年5月，以中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所為技術依託，專注於從事氮化鎵襯底晶片及相關設備的研發和產業化，提供各類氮化鎵材料，目前GaN單晶襯底產品已經提供給300餘家客戶使用，基本完成了對研發市場的占領，正在提升產能向企業應用市場發展。公司申報相關核心技術專利四十餘項。

東莞市中鎵半導體科技有限公司。公司成立於2009年，以北京大學寬禁帶半導體研究中心為技術依託，是國內領先的專業從事第三代半導體材料研發和製造的高新技術企業。公司創造性地採用MOCVD技術、雷射剝離技術、HVPE技術相結合的方法，開發出系列氮化鎵（GaN）襯底產品。公司主營產品有：（1）GaN半導體襯底材料，包括GaN襯底，GaN/Al₂O₃復合襯底，圖形化藍寶石襯底（PSS）；（2）生產設備，如雷射剝離設備、HVPE設備等。目前公司擁有國家專利128項，國際專利5項。

▌GaN 外延企業

IQE。公司的核心業務是使用外延工藝生產化合物半導體外延片，公司生產的化合物半導體外延層包含各種半導體材料，如鎵、砷、鋁、銦和磷等。公司GaN、GaAs、lnP等外延材料的獨特性能使其能夠應用於無線通信、先進太陽能(CPV)、高解析度紅外系統、高效LED照明、高效電源開關，以及使用先進光子雷射器和探測器的一系列消費和工業應用領域。

蘇州晶湛半導體有限公司。公司成立於2012年3月，在2013年建立了年產2萬片6寸GaN外延材料生產線，2014年低在全球首家發布其商品化8英寸矽基氮化鎵外延片產品，填補了國家乃至世界氮化鎵產業的空白。公司產品包括的矽基、藍寶石基和碳化矽基氮化鎵外延片，截至2016年底在國內外申請了80多項發明專利。

▌GaN 器件設計企業

GaNSystems。公司於2008年在加拿大成立，是一家GaN功率器件的設計和製造商，寶馬iVentures是公司戰略投資者。公司目前產品為100V/650VGaNE-HEMT，產品被應用到消費電子（更小的交流適配器、無線充電）、數據中心、再生能源、工業和新能源汽車。

Ampleon（安譜隆半導體）。建廣資產在2015年以18億美元收購NXP旗下的RFPower部門，後來成立安譜隆半導體，其主要業務包括LDMOS、SiC基GaN功率放大器等射頻器件的設計。公司總部位於荷蘭奈梅根，2016年安譜隆半導體（合肥）有限公司成立，作為荷蘭Ampleon公司在中國區的研發和銷售中心，致力於在射頻技術等領域的創新和研發。

▌GaN 器件製造企業

穩懋半導體股份有限公司。公司成立於1999年，是全球首座以6英寸晶圓生產GaAsMMIC的專業晶圓代工服務公司，公司於2013年研發完成GaN製程，並於2016年開始有少量營收貢獻。目前公司在GaN領域擁有0.25um28VOperationGaNHEMT和0.45um50VOperationGaNHEMT工藝製程。

環宇通訊半導體責任有限公司。公司成立於1997年，主要從事GaAs/lnP/GaN高階射頻及光電元件化合物半導體晶圓代工業務，目前公司擁有0.15umGaN/SiCHEMT製程以及用於下一代高功率放大器的GaN/DiamondHEMT工藝。

三安集成電路有限公司。公司成立於2014年5月，總規劃用地281畝，總投資額30億元，新建適用於專業通訊微電子器件市場的砷化鎵高速半導體晶片與氮化鎵高功率半導體晶片生產線，規劃30萬片/年6寸GaAs以及6萬片/年6寸GaN產能。目前公司GaN器件包括射頻器件和功率器件，包括0.5umGaNMIS-HEMT、0.5umP-GaNHEMT、0.45um/0.25um/0.15umGaN/SiC工藝製程，目前仍然處於小批量送樣階段。

成都海威華芯科技有限公司。公司成立於2015年，2016年4月，第一條6英寸GaAs生產流程打通，同年10月，6寸GaAs生產線建成投用。2017年8月，公司順利生產第一片完整的GaN工藝樣片。公司是集工藝開發、器件模型製造於一體的第二代/第三代化合物半導體集成電路領域的開放平台，目前公司擁有GaAs025umpHEMT/GaNHEMT集成電路工藝製程。

▌IDM（外延+設計+製造）

英飛凌科技股份公司。公司是全球領先的半導體科技公司，公司產品包括功率器件、ASIC、傳感器、汽車系統晶片等。公司在寬禁帶半導體市場有CoolSiC和CoolGaN兩條業務線，其中CoolGaN產品主要為600V增強型GaN功率電晶體，主要應用於伺服器、通訊、電源、無線充電等。

江蘇華功半導體有限公司。公司成立於2016年5月，業內著名的北京大學、中山大學、中國電子信息產業集團(CEC)下屬合肥彩虹藍光科技有限公司以及東莞中鎵半導體科技有限公司組成公司技術團隊，核心業務涵蓋以第三代半導體氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）為主的電力電子器件全產業鏈產品。公司可以提供2-8英寸GaNonSi功率電器器件外延片產品以及650V5A-60A系列化PowerFETs。

英諾賽科（珠海）科技有限公司。公司是2015年12月由海歸團隊發起創辦，從事第三代寬禁帶半導體電力電子器件的研發與生產，已完成投資10.9億元並建設8英寸增強型矽基氮化鎵外延與晶片大規模量產生產線。公司商業模式將採用IDM全產業鏈模式，打造集研發、設計、外延生長、晶片製造、測試於一體的生產平台。目前公司產品包括30V-650V氮化鎵功率與5G射頻器件。

大連芯冠科技有限公司。公司成立於2016年3月，是一家由海外歸國團隊創立的半導體高科技企業，主要從事第三代半導體功率器件的研發、設計、生產和銷售。公司已實現6英寸650V矽基氮化鎵外延片和功率器件的量產，射頻晶片的研發與產業化準備工作亦已展開，產品將定位為10GHz以下的射頻通訊和射頻能量市場。

蘇州能訊高能半導體有限公司。公司創立於2007年，是由獲得中國第一批「千人計劃」支持的海外歸國人員創辦的，公司致力於GaN射頻功率器件的開發和生產，目前是國內除科研院所外唯一一家在GaN射頻功率器件領域擁有獨立氮化鎵FAB工廠和生產能力的IDM公司。公司產品包括GaN射頻功率電晶體、無線通信GaN射頻功放管、氮化鎵管芯等。

江蘇能華微電子科技發展有限公司。公司成立於2010年6月，是由國家千人計劃專家朱廷剛博士領銜的，由美澳日歸國團隊創辦的一家專業設計、研發，生產、製造和銷售以氮化鎵（GaN）產品的公司。目前公司生產GaN外延片、GaN肖特基二極體以及對2』/3』/4』/6』GaAs、GaN代工生產LED、二極體、FET和電晶體。

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