5G行情下氮化镓（GaN）还存在哪些缺点？是下一个风口？

由于2 月13 日小米在新品发表会中，除了推出小米10 系列外，更宣布采用氮化镓(GaN) 作为原料的充电器，一时间原本GaN 在射频领域热烧的话题，快速延烧至电池产业。

随着消费电子产品、电动车、家用电器等产品更新换代，产品的性能也越来越受重视，尤其是在功率设计方面。如何提升电源转换能效，提高功率密度水平，延长电池续航时间，成为了新一代电子产品面临的最大挑战。

在这样的背景下，一种新型的功率半导体——氮化镓（GaN）的出现，或许会成为未来电子产业的“香饽饽”。

一、蛰伏20年的第三代半导体材料GaN

上个月刚结束的小米10发布会上，和小米10一同火起来的，还有小米创始人雷军着重介绍额65W小米GaN充电器。雷军夸其为“实在太方便了！”新品火起来的同时，还引起投资人对于第三代半导体的广泛关注。

了解GaN之前，首先我们要弄清楚关于半导体材料的一些知识。

半导体材料历经 3 个发展阶段，第一代是硅 (Si)、锗 (Ge) 等基础功能材料；第二代开始进入由 2 种以上元素组成的化合物半导体材料，以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等为代表；第三代则是氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等宽频化合物半导体材料。

目前全球绝大多数半导体元件，都是以硅作为基础功能材料的硅基半导体，不过，在高电压功率元件应用上，硅基元件因导通电阻过大，往往造成电能大量损耗，且在高频工作环境下，硅元件的切换频率相对较低，性能不如宽频化合物半导体材料。

硅基半导体受限硅材料的物理性质，而氮化镓、碳化硅则因导通电阻远小于硅基材料，导通损失、切换损失降低，可带来更高的能源转换效率。挟著高频、高压等优势，加上导电性、散热性佳，元件体积也较小，适合功率半导体应用，近来在 5G、电动车等需求推升下，氮化镓等材料崛起成为半导体材料明日之星。

不过，其实氮化镓材料广为人知，是始于 LED 领域，1993 年时，日本日亚化学的中村修二成功以氮化镓和氮化铟镓 (InGaN)，开发出具高亮度的蓝光 LED，人类也因此凑齐可发出三原色光的 LED。梳理具体详情如下：

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）等元素的材料，常用在信息技术中的分立器件和集成电路中，电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程等产业中都得到了极为广泛的应用。

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge－Si、GaAs－GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；以及有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域。在本文中重点介绍的GaN，并不存在于自然界，只能在实验室中制成。具有带隙宽、原子键强、导热率高、化学性能稳定、抗辐照能力强、结构类似纤锌矿、硬度很高等特点，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用等方面有着广阔的应用前景。

在1998年，美国研制出GaN晶体管，资料显示，GaN在室温下带隙为3．49eV（电子伏特）。一般来说，带隙就是指禁带宽度，是半导体材料的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构。

若禁带宽度Eg＜ 2．3eV，则称为窄禁带半导体，如Ge、Si、GaAs以及InP；若禁带宽度Eg＞2．3eV则称为宽禁带半导体，如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。

由于宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

以GaN为例，熔点高达1700℃。有人曾做过实验，在一般高温情况下，GaN不会发生分解反应，只有将其放置于氮气或氦气中且温度超过1000℃时GaN才会慢慢挥发，证明GaN可以在较高的温度下保持其稳定性。这也是为什么GaN能被广泛运用在大功率半导体中的原因。

二、GaN产业链及市场规模

与SiC产业链类似，GaN产业链可依次分为GaN衬底→GaN外延→器件设计→器件制造。从国内外GaN产业发展来看，美国、日本成为GaN产业发展的佼佼者，中国企业入局者则为数不多。

因为材料特性的差异，硅在高于1200V 的高电压、大功率具有优势，而GaN 制的产品更适合40～1200V 的应用，特别是在600V/3KW 能发挥最大优势。因此，在伺服器、马达驱动、UPS 等领域，GaN 可以挑战传统MOSFET 或IGBT 的地位。

Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元，CAGR达85%，当中，GaN快充是推动产业高成长的主要力量。此外，GaN还有望渗透进入汽车及工业和电信电源应用中。

从生产端来看，GaN 功率半导体已开始少量出货，但由于其价格过于昂贵，是影响现阶段发展受限的主要因素。价格不亲民是因为目前GaN 制芯片仍以6 吋及以下的晶圆厂生产为主，尚未显现规模效应，若未来成本能再大幅下降，市场需求就会爆发。

在GaN功率领域中，市场主要由Infi neo n、EPC、GaN Systems、Transphorm，及Navitas等公司主导，其产品是由TSMC，Episil、X-FAB进行代工。中国新兴代工厂中，三安光电和海特高新具有量产GaN功率零组件的能力。

虽然GaN 有着许多优势，但因为产品价格偏高，这是现在消费性电子产品未大量采用的主因。反而在卫星、军事这类对价格敏感度低的产业，GaN 零组件对其有极大的吸引力。

不过，从意法半导体与台积电之间的合作可以看出，在5G 世代中，GaN 已经是不可缺少的重要原料，特别是在车电领域(与手机等消费性电子相比，价格敏感度低)，将是国际大厂抢进重点领域之一。

非常值得一提的是，在射频领域，氮化镓射频器件适合高频高功率场景，是5G时代的绝佳产品，将替代Si基芯片，应用在5G基站、卫星通信、军用雷达等场景。

在政治局会议多次点名之下，5G基站的建设迎来高峰，相应的各种射频器件、芯片数量和质量都在提升，市场需求旺盛。氮化镓工艺正在逐步占领市场，已经势不可挡。拓璞产业研究院预计到2023年基站端GaN射频器件规模达到顶峰，达到112．6亿元。

再加上卫星通信、军用雷达的市场，据预测GaN射频市场将从2018年的6．45亿美元增长到2024年的约20亿美元。

三、GaN产业应用前景

GaN 目前主要的应用就在微波射频、电力两大领域。具体而言，微波射频包含5G 通讯、雷达预警、卫星通讯等应用；电力则包含智慧电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等。

快充产品领域：GaN材料应用范围广泛，最为人熟知的就是在快充产品领域。最初快充出现的时候还并不被大伙所看好，总感觉这么短时间内充满一块电池，担心电池爆炸。随着快充逐渐升级为超级快充，充电时间越来越短，对于电池安全的隐忧虽然没有彻底放下，但人们也越来越愿意接受。

新型的GaN快充与传统快充相比，由于GaN的材料特性能提供更高的能量转化效率，降低了功耗，减小了充电时的发热问题；GaN充电器拥有更大的功率密度，能够实现更快的充电速度；此外，GaN充电器功率器件的开关频率显著高于传统快充中的Si功率器件，因此可以实现体积更小的充电器产品设计。

今年2月，小米发布新品，其中65W GaN充电器成为一大亮点。

这款充电器易散热、充电快（比iphone原装快50％，从0到100％的电量只需45分钟）、体积小（比常规充电器小了50％），且售价只要149元，性价比较高。3天预约就超5万，一时间，这一黑科技产品站上了风口，氮化镓也因此引发市场的强烈关注。

不过这并不是第一款氮化镓充电器，早在去年四季度，OPPO就发布了全球首款65W GaN充电器。两家大厂相继布局，意味着技术已经进一步成熟。

而且，氮化镓充电器并不仅仅用于手机充电。更小、更便捷的GaN充电器是解放笔记本的一大利器。未来，笔记本、新能源车或许都会用到氮化镓充电器。

电动汽车、光伏等功率半导体领域：目前电动汽车、光伏、智能电网等领域使用的IGBT是硅基材料，如果未来氮化镓技术取得突破，从而渗透进IGBT半导体领域，那么将进一步打开氮化镓市场的天花板。

照明领域：半导体照明是目前国内外非常受人瞩目的一种新型的高效、节能和环保光源，它将取代大部分传统光源，又被称为21世纪的能源革命．GaN能和NIn、NAl相互掺杂改变III族元素的比例，从而能使其发光波长覆盖从红光到紫外光的范围，由此达到更高效率、高亮度的光源方面的应用。

电力：在600 伏特左右电压下，GaN 在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的优势，这使GaN 材料的电源产品可更为轻薄、高效率，且GaN 充电插头体积小、功率高、支援PD 协定，有机会在未来统一NB 和手机的充电器市场。

射频领域：

GaN 的射频零组件具有高频、高功率、较宽频宽、低功耗、小尺寸的特点，能有效在5G 世代中节省PCB 的空间，特别是手机内部空间上，且能达到良好的功耗控制。

在5G产品中，GaN主要应用在Sub-6GHz基地台和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole预估GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元成长2024年的20亿美元，CAGR达21%，这主要受电信基础设施及国防两大领域所推动，而卫星通信、有线宽频和射频也有一定的贡献。

在要求高频高功率输出的卫星通讯中，市场预估GaN 将逐渐取代GaAs 成为新的解决方案。而在有线电视和民用雷达市场与LDMOS 或GaAs 材料相比，GaN 的成本仍高，短期内大量取代的情况不易见。

在GaN 射频领域主要由美、日两国企业主导，其中，以美商Cree 居首，住友电工、东芝、富士通等日商紧追在后，中国厂如三安光电、海特高新、华进创威在此领域虽有着墨，但与国际大厂相比技术差距大。

5G射频领域重点发力：

随着5G技术的爆发，相关产业对射频功率、功耗的要求进一步提升，GaN将逐渐取代Si材料。在相控阵雷达、电子对抗战、精确制导等军事化场景中，GaN的运用也越来越广泛。

市场研究和战略咨询公司Yole曾经表示，2018年GaN射频器件市场规模达到4．57亿美元，未来5年复合增长率超过23％。在整个射频应用市场，GaN器件的市场份额将逐渐提高。长期来看，在宏基站和回传领域，凭借高频高功率的性能优势，GaN将逐渐取代LDMOS和GaAs从而占据主导位。

GaN 是极为稳定的化合物，又是坚硬和熔点高的材料，其熔点为高达1700℃。同时，GaN 有较高的电子密度和电子速度，其高电离度，也是在三五族化合物中最高的，因此受到高频、高功率类别电子产品的青睐。

四、还存在哪些缺点？

虽然GaN相比于Si等材料更节能、更快，具备更好的恢复特性，但是仍然谈不上彻底取代。由于若干原因，GaN并不常用于晶体管中，因为GaN器件通常是耗尽型器件，当栅极 － 源极电压为零时它们会产生导通，这是一个问题。

其次，GaN器件极性太大，难以通过高掺杂来获得较好的金属－半导体的欧姆接触，这是GaN器件制造中的一个难题，现在最好的解决办法就是采用异质结，首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些，然后再采用高掺杂来实现欧姆接触，但这种工艺很复杂。

五、氮化镓代工争夺战开始

苹果 iPhone X 採用 3D 感测技术后，半导体材料砷化镓因 VCSEL 等应用而声名大噪，近来随著 5G、电动车等新应用兴起，对功率半导体需求增温，新一代材料氮化镓 (GaN) 挟著高频率等优势，快速攫获市场目光；以中国台湾企业为代表的代工企业继站稳硅晶圆代工、砷化镓晶圆代工龙头地位后，也积极抢进氮化镓领域，力拚再拿代工龙头宝座。

LED 领域发光发热后，近来受惠 5G、电动车应用推升，对高频率、高功率元件需求成长，市场对氮化镓的讨论声浪再度高涨。氮化镓主要应用于 600 至 1000 伏特的电压区间，具备低导通电阻、高频率等优势，可在高温、高电压环境下运作，但主要优势仍在于高频率元件，在高压与高功率表现上，虽优于硅基材料，但不如碳化硅材料表现亮眼。

从应用面来看，氮化镓应用包括变频器、变压器与无线充电，为国防、雷达、卫星通讯与无线通讯基地站等无线通讯设备的理想功率放大元件。

由于 5G 技术采用更高的操作频率，业界看好，GaN 元件将逐步取代横向扩散金氧半导体 (LDMOS)，成为 5G 基站主流技术；且在手机功率放大器 (PA) 方面，因 GaN 材料具备高频优势，未来也可望取代砷化镓製程，成为市场主流。

现行的 GaN 功率元件，以 GaN-on-Si(硅基氮化镓)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)2 种晶圆为主，虽然 GaN-on-SiC 性能相对较佳，但价格大幅高于 GaN-on-Si，也使 GaN-on-Si 仍为目前市场主流，主要应用于电力电子领域，未来可望大幅导入 5G 基地台的功率放大器 (PA)。

看准庞大需求 晶圆代工厂积极抢进

看准了氮化镓这个机会，中国厂商正在积极推进。首先从台厂进度来看，磊晶硅晶圆厂嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶硅晶圆，已进入国际 IDM 厂认证阶段，并争取新订单中；而同属汉磊投控 集团的晶圆代工厂汉磊科，则已量产 6 吋 GaN on Si 晶圆代工，瞄准车用需求；晶圆代工龙头台积电 也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圆代工服务。

至于 GaN-on-SiC 磊晶晶圆，则在散热性能上具优势，适合高温、高频操作环境，主要应用在功率半导体的车用、工业与消费型电子元件领域，少量应用于通讯射频领域。目前 GaN-on-SiC 晶圆可做到 4 吋与 6 吋，未来可望朝 8 吋推进，惟磊晶技术主要集中在碳化硅晶圆大厂 Cree 手中，其在 SiC 晶圆市占率高达 6 成之多，几乎独霸市场。

不过，在晶圆代工产能方面，三五族半导体晶圆代工厂稳懋 已开始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工服务，应用瞄准高功率 PA 及天线；而环宇 - KY也拥有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 产能，且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工产能已通过认证。

晶圆代工厂世界先进也在 GaN 材料上投资超过 4 年时间，持续与设备材料厂 Kyma、及转投资 GaN 硅基板厂 Qromis 携手合作，著眼开发可做到 8 吋的新基底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST，今年可望有小量样品送样，初期主要瞄准电源领域应用。

5G 应用推升氮化镓材料需求，而除站稳硅晶圆代工龙头、砷化镓晶圆代工龙头宝座外，台厂在第三代半导体材料上，当然也不能缺席，包括硅晶圆代工厂、三五族半导体晶圆代工厂，均积极佈局氮化镓领域，以迎接 5G 时代下的半导体材料新革命。

小结

欧美等国家正在持续加大第三代半导体领域研发支持力度，以GaN、SiC为首的第三代半导体材料被广泛应用，是半导体以及下游电力电子、通讯等行业新一轮变革的突破口。

近年来，国内第三代半导体产业稳步发展，但在材料指标、器件性能等方面与国外先进水平仍存在一定差距，第三代半导体产业本土化、高端化的需求依然紧迫。

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