近幾年來，越來越多的人在使用手機快充充電器的時候可能不經(jīng)意間會發(fā)現(xiàn)氮化鎵（GaN）這個專業(yè)名詞。那么，它到底是什么？

氮化鎵與碳化硅是第三代半導(dǎo)體的兩大“門面”，這二者具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能。而比起碳化硅器件，氮化鎵功率器件在同時對效率、頻率、體積等綜合方面有要求的場景中，還更有優(yōu)勢，手機快充充電器就是其中一個成功應(yīng)用范例。

如今，我國氮化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化日趨完善，多家國內(nèi)企業(yè)已擁有氮化鎵晶圓制造能力。隨著下游新應(yīng)用規(guī)模爆發(fā)，以及氮化鎵襯底制備技術(shù)不斷取得突破，氮化鎵器件有望持續(xù)放量，將成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

未來，氮化鎵也將不再局限于快充等消費電子市場，可廣泛應(yīng)用于通信、計算機、消費電子、汽車電子、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。專家認為，由于其商業(yè)化進展快，將領(lǐng)跑第三代半導(dǎo)體市場。

參考Market and Market 、Yole等機構(gòu)的增長幅度測算，預(yù)計到2026年全球氮化鎵元件市場規(guī)模將增長到423億美元，即突破千億人民幣，年均復(fù)合增長率約為13.5%。


“后來者居上”的第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵

眾所周知，第一代半導(dǎo)體材料代表是硅，主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲的問題；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}；而第三代半導(dǎo)體，除了碳化硅，就是近幾年聲名鵲起，后來者居上的“氮化鎵”了。

氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料的前沿代表，與前代半導(dǎo)體材料相比，多項指標(biāo)有顯著提升。氮化鎵是氮和鎵的化合物，需要由人工合成，結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦。

從特性上來看，作為時下新興的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，氮化鎵具有超越硅的多種優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的硅材料相比，氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、擊穿電場強、導(dǎo)通電阻低、電子遷移率高、轉(zhuǎn)換效率高、熱導(dǎo)率高、損耗低等優(yōu)點。

在早期，氮化鎵廣泛運用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、半導(dǎo)體照明、新一代移動通信等。隨著技術(shù)突破，成本逐漸得到控制，目前氮化鎵還被廣泛運用到消費類電子等領(lǐng)域，上文提到的充電器便是其中重要的一項。

隨著相關(guān)技術(shù)不斷取得突破，未來，氮化鎵不再局限于快充等消費電子市場，可廣泛應(yīng)用于通信、計算機、汽車電子、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。


快充領(lǐng)域的“明星技術(shù)”

氮化鎵真正稱王還是在快充和射頻領(lǐng)域。因為其擁有高飽和電子漂移速率、高臨界擊穿電場等優(yōu)越的電學(xué)性質(zhì)，所以，采用氮化鎵功率芯片的充電器具有高開關(guān)速度、充電效率高、散熱快、體積小巧等明顯優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在手機、筆記本電腦等個人移動充電設(shè)備中。如今，氮化鎵已經(jīng)成功導(dǎo)入手機內(nèi)部電源管理。

數(shù)據(jù)顯示，氮化鎵的應(yīng)用加速了快充充電器的市場發(fā)展，2022年的快充滲透率提升至24％，全球市場規(guī)模達到27.43億美元。預(yù)計到2026年，國內(nèi)氮化鎵充電器市場規(guī)模將上升至50億元。小米、華為、努比亞等手機廠商開始入局氮化鎵充電器市場，氮化鎵充電器市場已經(jīng)進入百花齊放的時代。

“目前，氮化鎵技術(shù)已經(jīng)成為消費電子充電領(lǐng)域的‘明星’。”孫毅表示。

在射頻領(lǐng)域，Yole的數(shù)據(jù)顯示，氮化鎵射頻器件市場規(guī)模將從2020年的8.91億美元增長到2026年24億美元，復(fù)合年均增長率為18%，其中電信基礎(chǔ)設(shè)施是氮化鎵射頻器件的主要驅(qū)動力。并且除了中國，日本、韓國、美國等國家和地區(qū)也在積極布局5G和6G，氮化鎵射頻市場亟待爆發(fā)。

“5G通信將成為氮化鎵射頻器件未來主要市場應(yīng)用領(lǐng)域。”合肥芯谷微電子有限公司副總經(jīng)理黃軍恒表示，GaN-on-SiC技術(shù)是氮化鎵射頻器件當(dāng)前采用的主要技術(shù)，部分采用GaN-on-Si技術(shù)。半絕緣型碳化硅襯底適用于做射頻氮化鎵器件，氮化鎵射頻應(yīng)用的碳化硅基氮化鎵外延片4英寸和6英寸并存，海外6英寸代表企業(yè)有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企業(yè)為住友電工。


國產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)效率和成本雙提升

在“如何實現(xiàn)更快、更大規(guī)模的氮化鎵應(yīng)用推廣”這個關(guān)乎產(chǎn)業(yè)效率的問題上，譽鴻錦半導(dǎo)體通過回歸產(chǎn)業(yè)價值的本質(zhì)，提出”產(chǎn)業(yè)價值=能效提升-替換成本>0“的解題思路，認為高性能是推動應(yīng)用創(chuàng)新的動力，而低成本則是推動應(yīng)用普及的基礎(chǔ)。目前行業(yè)現(xiàn)狀是，全球諸多廠商都在積極推進氮化鎵技術(shù)應(yīng)用的普及，其中海外廠商更多的策略重心是高性能器件的應(yīng)用，國內(nèi)廠商則更多是通過常規(guī)器件的低成本來推廣氮化鎵應(yīng)用。

從材料成本來說氮化鎵（GaN）器件并不會比硅基器件昂貴。譽鴻錦認為氮化鎵滲透率依然低的原因，并不是很多人所認為的氮化鎵器件規(guī)模仍然不足，導(dǎo)致成本均攤困難。因為規(guī)模是結(jié)果而并非原因，本質(zhì)問題出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)效率上，只有把系統(tǒng)效率提升，才能用更低的成本推動器件的大規(guī)模應(yīng)用。只有從第一性原理出發(fā)，搞清楚氮化物半導(dǎo)體的材料原理才能實現(xiàn)正向的研發(fā)和工藝，也就是我們俗說的KNOW HOW，這樣才能把器件研發(fā)效率提升，同時還需要掌握設(shè)備的優(yōu)化能力來配合器件的制造需求，把良率提升，生產(chǎn)效率提升，也減少后期分選封測的工作量，再通過對工藝制程的理解來實現(xiàn)核心設(shè)備的國產(chǎn)替代和自研，進一步降低產(chǎn)線的成本，并最終通過全流程IDM集成的方式減少過程中的時間成本和經(jīng)濟成本的損耗。最終實現(xiàn)匹敵于硅器件的產(chǎn)業(yè)鏈效率和成本。

為此譽鴻錦半導(dǎo)體在創(chuàng)立之初，就組建產(chǎn)業(yè)奠基人級的技術(shù)團隊，其首席科學(xué)家邵春林博士為現(xiàn)場觀眾分享自己作為中國最早開展氮化鎵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的歷史，參與開發(fā)了最早的MOCVD設(shè)備，以及參與主導(dǎo)了譽鴻錦半導(dǎo)體的規(guī)劃與建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新。并展示了譽鴻錦目前實現(xiàn)的極低外延翹曲控制、均勻性的GaN層厚度以及精準(zhǔn)可控的載流子調(diào)控等自主關(guān)鍵技術(shù)能力。并具備在氮化鎵、硅、碳化硅和藍寶石襯底上外延生長氮化鎵材料的技術(shù)矩陣，和功率電子、激光與顯示、射頻全產(chǎn)品能力。體現(xiàn)了譽鴻錦強大的基于KNOW HOW的正向研發(fā)能力，可以根據(jù)目標(biāo)需求，自由選擇甚至開拓新的技術(shù)路線，并實現(xiàn)快速制樣和驗證，直至導(dǎo)入量產(chǎn)。

憑借85%平均量產(chǎn)良率獲得高一致性器件，高集成度IDM-7天制造周期、高研發(fā)效率使時間縮短2/3，自研設(shè)備和設(shè)備國產(chǎn)化使成本降低2/3，終端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)群集成，譽鴻錦實現(xiàn)了“產(chǎn)業(yè)效率革命=高良率x IDM整合x高研發(fā)效率x設(shè)備降本x快速應(yīng)用驗證”。現(xiàn)場播放的工廠全線實拍視頻，展示了譽鴻錦在行業(yè)里數(shù)量最多、工序最為齊全的設(shè)備產(chǎn)線，并第一次提出了包括設(shè)備&材料端、自主全流程IDM、銷售與技術(shù)服務(wù)體系群以及終端產(chǎn)品應(yīng)用生態(tài)鏈的Super IDM產(chǎn)業(yè)集群概念，即“Super IDM產(chǎn)業(yè)集群 = 上游設(shè)備材料+IDM+終端技術(shù)應(yīng)用+零售服務(wù)生態(tài)鏈”。基于該產(chǎn)業(yè)集群的深度耦合，實現(xiàn)上游設(shè)備自主可控、成本下降，IDM環(huán)節(jié)極致效率，應(yīng)用終端快速導(dǎo)入和批量驗證，實現(xiàn)推動氮化鎵產(chǎn)業(yè)快速普及的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)。