快充黑科技：氮化鎵的深度應(yīng)用

文·圖/莊嘉

氮化鎵是一種新型半導(dǎo)體材料

氮化鎵與5G基站

隨著電子產(chǎn)品進(jìn)入精細(xì)化時(shí)代，人們對于充電器在尺寸、功率等方面的需求也隨之提高，傳統(tǒng)的功率開關(guān)已經(jīng)無法滿足市場對于大功率、快速充、微尺寸的需求，以氮化鎵為典型代表的數(shù)字電源快充黑科技應(yīng)運(yùn)而生。

快充新變革的爆點(diǎn)：氮化鎵

2022年4月18日，中國企業(yè)倍思發(fā)布的新品“第五代氮化鎵Pro數(shù)字電源快充充電器160瓦”，引起了消費(fèi)者和業(yè)界的廣泛關(guān)注。該款產(chǎn)品不僅是全球首款PD3.1標(biāo)準(zhǔn)的160瓦多口充電器（單口實(shí)現(xiàn)最高28伏140瓦），更是全球首款數(shù)字電源充電器，象征著人類邁入了數(shù)字電源的新紀(jì)元。由此，“氮化鎵”這個(gè)專業(yè)名詞迅速從快充界破圈。

根據(jù)英國廣播公司研究部門（BBC Research）的數(shù)據(jù)顯示，“全球手機(jī)充電器市場規(guī)模將從2017年的181億美元增長至2022年的250億美元，其中快充占27.43億美元，占比10.97%”。另據(jù)中信證券研報(bào)的數(shù)據(jù)顯示，“全球氮化鎵快充市場規(guī)模將從2020年的23億元增長到2025年的600多億元（折合90多億美元）”。由此可見，在數(shù)字電源時(shí)代，氮化鎵充電器即將迎來快速成長期。

提到數(shù)字電源，人們不禁要問何為“氮化鎵”？氮化鎵的分子式是“GaN”，英文全稱“Gallium Nitride”。氮化鎵是氮和鎵的化合物，它是第三代人工合成的半導(dǎo)體核心材料。就優(yōu)點(diǎn)而言，氮化鎵具備耐高溫與高壓、電阻低、易散熱、損耗小、功率大、電子遷移率高、飽和電子漂移速度快等特征。以功率大為例：基于碳化硅襯底的氮化鎵器件比硅襯底氮化鎵器件性能更好，功率更大，彰顯了氮化鎵材料的優(yōu)勢。又如，在有效縮小產(chǎn)品尺寸方面，采用氮化鎵技術(shù)的充電器外形尺寸可比傳統(tǒng)的基于硅的充電器減少30%至50%。基于此，氮化鎵賦予了充電頭集成度和能量轉(zhuǎn)化率更高的特性，讓“一頭多充”“大功率”“小體積”的共存成為可能。

目前，氮化鎵快充充電器已經(jīng)具備了大功率、超級快充、輕巧輕便等特點(diǎn)，能支持手機(jī)、平板、PC（電腦）等設(shè)備快充。毫無疑問，氮化鎵快充技術(shù)已成為電子產(chǎn)品行業(yè)的新風(fēng)口。

盡管氮化鎵快充在性能、效率、能耗、尺寸等方面較市場主流的充電器有顯著的量級提升，但其發(fā)展也面臨諸多問題：一方面，氮化鎵是自然界沒有的物質(zhì)，完全要靠人工合成；另一方面，氮化鎵沒有液態(tài)，故不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的直拉法拉出單晶，而僅靠氣體反應(yīng)合成。因此，生產(chǎn)氮化鎵存在反應(yīng)時(shí)間較長、副產(chǎn)物較多、設(shè)備要求苛刻等難題，造成了其制造成本高、不利于大批量產(chǎn)的情況。

不局限于快充領(lǐng)域的氮化鎵技術(shù)

根據(jù)阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的“2021十大科技趨勢”，其中預(yù)測的第一大趨勢就是以“氮化鎵、碳化硅”為代表的第三代半導(dǎo)體迎來應(yīng)用大爆發(fā)。由此可見，作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域存在深挖空間。

就化學(xué)原理而言，氮化鎵是迄今為止電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。因此，利用氮化鎵制作的電子器件具有高頻、高轉(zhuǎn)換效率、高擊穿電壓等特性。這就為微顯示、手機(jī)快充、氮化鎵汽車等提供了無限的可能性。

實(shí)踐層面也是如此，氮化鎵應(yīng)用版圖正在逐步擴(kuò)大。目前，作為支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件，氮化鎵下游應(yīng)用切中了“新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵、數(shù)據(jù)中心、軍事雷達(dá)等主要領(lǐng)域需求。長遠(yuǎn)來看，氮化鎵的高效電能轉(zhuǎn)換特性，能夠幫助實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電（電能生產(chǎn)），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車、工業(yè)電源、機(jī)車牽引、消費(fèi)電源（電能使用）等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換，助力“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。由此可見，氮化鎵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，相關(guān)器件正快速發(fā)展。

當(dāng)前，我國充分意識到氮化鎵等第三代半導(dǎo)體有望成為國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的彎道超車機(jī)會，遂在“十四五”規(guī)劃中將其提升至戰(zhàn)略高度。

特別值得關(guān)注的是，在5G移動通信等射頻濾波器領(lǐng)域，氮化鎵目前滲透率較高、未來發(fā)展前景大，尤其適用于價(jià)格敏感度較低的基站建設(shè)和改造。由于氮化鎵材料的散熱特性、功率特性能夠較好滿足5G基站要求，伴隨氮化鎵器件成本的下降和工藝的成熟，氮化鎵材料有望成為基站PA（功放）主流材料。同時(shí)，由于在基站領(lǐng)域，毫米波、小基站、波速成形、載波聚合等需求均需要使用氮化鎵相關(guān)器件，氮化鎵在整個(gè)基站所用半導(dǎo)體器件中的比重正不斷提升。

又如，在Micro LED領(lǐng)域，氮化鎵巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)是該領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。巨量轉(zhuǎn)移（又稱薄膜轉(zhuǎn)移），是將Micro LED器件轉(zhuǎn)移至具有特定驅(qū)動基板上，并組裝成二位周期陣列。通俗而言，就是三步：一是從預(yù)定位置以非常高的空間精度和方向拾取微型模具（預(yù)制）；二是將這些微型芯片移動到預(yù)定位置，同時(shí)保持微型芯片的相對空間位置和方向；三是在保持新的相對位置和方向的同時(shí)，有選擇地在該新位置分配微芯片。將氮化鎵應(yīng)用于巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的意義在于，能夠有效解決轉(zhuǎn)移精度要求嚴(yán)格的問題，可以廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備及超大屏幕顯示器。

氮化鎵深度應(yīng)用的域外借鑒

根據(jù)中國獨(dú)角獸企業(yè)“智慧芽”的數(shù)據(jù)顯示，“全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請16萬余件專利，有效專利6萬余件。其中，保護(hù)類型以發(fā)明專利為主，行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高。該領(lǐng)域中，日本、歐美技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，中、日市場較熱”。由此可見，目前主流氮化鎵生產(chǎn)廠家依舊集中在日本、歐美等發(fā)達(dá)國家。這些發(fā)達(dá)國家聚焦的領(lǐng)域均是氮化鎵器件。通俗而言，氮化鎵器件即“運(yùn)用氮化鎵嵌入某一設(shè)備、線路中，組合形成電功率器件或組件”。

在日本，氮化鎵襯底是研發(fā)重點(diǎn)。氮化鎵襯底是一種具有較大禁帶寬度的半導(dǎo)體，具備穩(wěn)定性強(qiáng)、高熔點(diǎn)、堅(jiān)硬程度高等特質(zhì)，屬于半導(dǎo)體的前沿產(chǎn)物。從用途來看，氮化鎵襯底可以用來提升外延膜的晶體質(zhì)量，制作微波功率晶體管或藍(lán)色光發(fā)光器件；降低位錯密度，提高器件工作壽命；提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。毫無疑問，日本在氮化鎵襯底技術(shù)研發(fā)方面已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。

德國則更加關(guān)注諸如氮化鎵Fet等“功率元件”，以及由多個(gè)功率元器件集成的“功率模塊”（如電源轉(zhuǎn)換器）的研發(fā)。以氮化鎵Fet為例。用氮化鎵材料制成的功率器件氮化鎵Fet具有低的擊穿電壓、低的閾值電壓、低的柵極電荷等特性，其開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小，因而能夠?qū)崿F(xiàn)電源電路效率更高、損耗更低。

此外，值得關(guān)注的是日本豐田汽車集團(tuán)已經(jīng)聯(lián)手日本名古屋大學(xué)合作開發(fā)了全球第一款“全氮化鎵汽車”，并與德國寶馬集團(tuán)開展深度合作，拓展該款汽車的投產(chǎn)空間與性能優(yōu)化。這表明了全氮化鎵汽車從實(shí)驗(yàn)到投產(chǎn)的腳步近了。

綜上，與其說氮化鎵開啟了快充領(lǐng)域的新增長點(diǎn)，并將觸角延伸至5G基站、車載新能源、功率器件、數(shù)字終端等前沿領(lǐng)域，不如說氮化鎵走在第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展的前列，成了未來科技發(fā)展的國家級戰(zhàn)略材料，可謂意義非凡！