充電器引爆第三代半導(dǎo)體核心材料！神秘的氮化鎵

不起眼的手機(jī)充電器除了快充。還能有什么高科技？當(dāng)一種被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體核心材料的物質(zhì)被用于手機(jī)充電器時。一場變革悄然發(fā)生……

一大波氮化鎵充電器殺到

“我特別特別喜歡這個GaN（氮化鎵）充電器，攝影師來多拍幾張照片。”在小米10手機(jī)的在線發(fā)布會上，雷軍絲毫沒有掩飾對小米GaN充電器的喜愛。

而在沒有太多新鮮事兒的手機(jī)圈，隨著小米氮化鎵充電器的推出。Realme在真我X50 Pro發(fā)布會上，官宣全系標(biāo)配GaN充電器。而。OPPO、努比亞紅魔再加上一大波第三方充電器廠商，以及已經(jīng)開始布局相前的產(chǎn)業(yè)的華為。三星。蘋果等巨頭，氮化鎵充電器成功在整個消費電子領(lǐng)域刮起一陣颶風(fēng)，

時間軸回到2020年2月13日。小米通過線上直播的形式。面向百萬觀眾，正式發(fā)布了小米10Pro系列手機(jī)以及部分配件產(chǎn)品。其中，小米65W氮化鎵充電器脫穎而出。成為本次發(fā)布會的一大重要亮點。小巧。高效。發(fā)熱低等特點對于一款全新充電器而言本屬標(biāo)配。而對一塊4500mAh的超大電池從0%充電至100%僅需45分鐘就讓不少粉絲感到驚喜子氮化鎵真能賦予手機(jī)充電器如此高的充電效率嗎？

以快制勝的氮化鎵充電器

一直以來，電池續(xù)航都是制約手機(jī)發(fā)展的重要阻礙，而在電池技術(shù)更迭緩慢的情況下，充電器技術(shù)的革新就成為當(dāng)下的希望，從快充到氮化鎵新材料的運用，其核心無非都是為了更高效。更易用地充電。

快是必須的。氮化鎵材料的運用，極大縮短了充電時間，以小米10氮化鎵充電為例，它可在45min內(nèi)為小米10 Pro充電100%，為iPhone 11充電100%的時間是1h50min，比5W原裝充電器快了約50%。這源于氮化鎵本身具有更寬的帶隙，而寬帶隙也就等于能承受更高的電壓，具有更好的導(dǎo)電能力，并且會讓電子產(chǎn)品的用電量減少10%-25%。

除了更快的充電效率外，氮化鎵散熱性同樣出眾，GaN與第一代半導(dǎo)體Si和第二代半導(dǎo)體GaAs相比。GaN的禁帶寬度大。零界擊穿電場強(qiáng)度大。導(dǎo)熱系數(shù)更高。

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(dǎo)通電阻減少。有利于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，

既能在高溫下穩(wěn)定工作，又能快速充電，這樣的特性讓氮化鎵充電器擁有了以快制勝的先決條件，而想要在整個IT業(yè)界引發(fā)足夠的震動，光快顯然是不夠的。

充電器大一統(tǒng)的希望

相對更尖心充電效率的普通用戶，業(yè)界對氮化鎵充電器的好奇心更多放在其兼容性與便攜性上。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，小米GaN充電器可以智能識別輸出電流。兼容大多數(shù)Type-C型智能手機(jī)、筆記本電腦。平板電腦。新潮游戲設(shè)備，包括全系iPhone。Switch以及眾多品牌的筆電。

出色的兼容性意味著消費者出門只需要攜帶一個充電器就能為幾乎所有的隨身數(shù)碼產(chǎn)品充電，這對于其他數(shù)碼產(chǎn)品領(lǐng)域而言。也是非常大的替代與革新，而稍晚時候推出的紅魔“氘鋒”65W氮化鎵充電器也證實了這一點。該充電器擁有兩個USB-C PD輸出接口，一個USB-A快充接口，不管新老設(shè)備用戶都能很好地兼顧需求，可以同時為三臺設(shè)備充電。65W輸出功率可以為手機(jī)平板。筆記本提供電力供給需求，為了方便旅行采用了可折疊插腳設(shè)計，

數(shù)碼設(shè)備充電器有望“一統(tǒng)”的表現(xiàn)足以令整個業(yè)界震撼，畢竟多個品類數(shù)碼產(chǎn)品對于充電器的需求本身是海量的，這還牽扯到用戶使用習(xí)慣的改變，在有了快速充電以及出色兼容性的同時，氮化鎵充電器小巧便攜的外觀設(shè)計，也讓其能夠快速征服消費者。

腰斬的體積

充電頭發(fā)展至今。人們對于便攜性的追求本身就讓其格外重視體積與便攜性。可在氮化鎵充電器面前。傳統(tǒng)充電器的確顯得大過臃腫了。

開關(guān)頻率高讓氮化鎵充電器成為目前全球勗快的功率開關(guān)器件。開關(guān)頻率高可以減小變壓器利電容的體積，那么自然氮化鎵充電頭就會比一般充電頭的體積和重量更小。更低了，同時發(fā)熱量也會降低，

低發(fā)熱量讓小巧的體積能夠勝任散熱需求。而在氮化鎵材料被運用到充電器之前。體積。充電功率一度都是魚與熊掌的關(guān)系。iPad Pro最高的充電功率可以達(dá)到30W。但考慮到iPad Pro便攜性的問題，蘋果官方配備的僅僅是一千18W的充電頭。

撇開成本因素不談。基于硅的半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)充電器即使在蘋果這個消費科技巨頭手上也無法“點石成金”，新材料的嘗試和運用成為充電器產(chǎn)品領(lǐng)域再次革新的關(guān)鍵。

不太新鮮的材料

氮化鎵分子式GaN，英文名稱Galliumnitride，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandqap）的半導(dǎo)體。自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦。硬度很高，氮化鎵的能隙很寬為3.4電子伏特。可以用在高功率。高速的光電元件中。

早在100多年前GaN就被發(fā)現(xiàn)了，在二十世紀(jì)90年代被日本曰亞公司用于制作藍(lán)光LED。不過受限于當(dāng)時的制程工藝。GaN并沒有被廣泛運用，

雖然發(fā)現(xiàn)且使用時間很長，但氮化鎵這種材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域卻有相當(dāng)?shù)牡匚唬毓韬玩N是第一代半導(dǎo)體材料。當(dāng)前90%以上的芯片包括手機(jī)里面的或者電腦里面東西都是用硅來做的，而磷化銦和砷化鎵則組成了第二代半導(dǎo)體材料，4G手機(jī)里面名為PA的功率放大器是用砷化鎵的HBT。SiC（碳化硅）和GaN則是第三代半導(dǎo)體材料的第一梯隊，GaN更適合高頻高溫的射頻領(lǐng)域，SiC則適合電子電力領(lǐng)域，包括新能源電池。直交流電變換。變頻變速等。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步。對半導(dǎo)體器件性能。效率、小型化要求的越來越高，傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料逐漸無法滿足性能需求，碳化硅。氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料憑借著優(yōu)異的性能，早已成為當(dāng)前世界各國競相布局的焦點。

5G或成氮化鎵催化劑

被用于充電器的材料能同5G有關(guān)？事實上，相比在充電器上的應(yīng)用，5G才是氮化鎵的真正戰(zhàn)場，GaN以其功率水平利高頻性能成為5G的關(guān)鍵技術(shù)，相比現(xiàn)有的硅LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氫化物半導(dǎo)體技術(shù)）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實現(xiàn)多頻載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經(jīng)成為未來宏基站功率放大器的候選技術(shù)。預(yù)計到2025年，GaN將主導(dǎo)射頻功率器件市場。搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場。

在Massive MIMO應(yīng)用中，基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如32/64等）的陣列天線來實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性。這種架構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元陣列配套。因此射頻器件的數(shù)量將大為增加。使得器件的尺寸大小很關(guān)鍵，利用GaN的尺寸小。效率高和功率密度大的特點可實現(xiàn)高集化的解決方案。如模塊化射頻前端器件。根據(jù)Yole的預(yù)計，2023年GaN RF在基站中的市場規(guī)模將達(dá)到5.2億美元。年復(fù)合增長率達(dá)到22.8%。

除了基站射頻收發(fā)單元陳列中所需的射頻器件數(shù)量大為增加。基站密度和基站數(shù)量也會大為增加，因此相比3G。4G時代，5G時代的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加。

在5G毫米波應(yīng)用上。GaN的高功率密度特性在實現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸，

技術(shù)之外的謀略

數(shù)十年半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用并未讓氮化鎵火起來，除產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展進(jìn)程制約材料應(yīng)用外，成本也是其大眾化的關(guān)鍵。

氮化鎵是自然界沒有的物質(zhì)。需要靠人工合成。可其人工合成難度非常高。在10000個大氣壓、2000度高溫下，合成的氮化鎵單晶只能達(dá)到研究水平。氮化鎵單晶材料成本很高，2英寸售價就高達(dá)每片萬元以上，因此。商業(yè)方案中使用更多的是氮化鎵異質(zhì)外延片。藍(lán)寶石。碳化硅和硅是目前主要的氮化鎵外延片異質(zhì)襯底材料。

高昂的價格讓氮化鎵這一優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料遲遲無法用于大眾消費市場，而眾多手機(jī)廠商這一次在充電器中加入氮化鎵的做法，不僅極大提升了手機(jī)用戶的充電感受，更是一場產(chǎn)業(yè)價格戰(zhàn)。在小米65W氮化鎵充電器發(fā)布之初。市場上65W氮化鎵充電器的零售價基本都處于200元或200元以上，小米打出149元的售價加上其在終端手機(jī)用產(chǎn)市場的巨大影響力，讓整個氮化鎵充電器市場感到壓力的同時，也有效降低了消費者購買門檻。

實際上，相對于ANKER，AUKEY。Baseus等第三方充電器廠商。小米。OPPO等手機(jī)廠商進(jìn)入后。利用戶業(yè)鏈的優(yōu)勢。更實現(xiàn)了產(chǎn)品的高質(zhì)和高配。才能真正將氮化鎵充電器推向市場。而隨著手機(jī)廠商氮化鎵充電器的推出，倍思65W 2CIA氮化鎵充電器，售價從原來的198元調(diào)整為168元。降價幅度達(dá)到30元：品勝65W氮化鎵充電器售價從169元調(diào)為145元，降價24元。此外，畢亞玆。RAVPower等品牌的氮化鎵充電器產(chǎn)品也采取了相應(yīng)地調(diào)價措施，共同推動氮化鎵充電器的落地，

繞不開的快充協(xié)議

對于手機(jī)用戶而言，快充是最直接的感受。而目前市面上的氮化鎵充電頭，很多都是PD快充，這點需要消費者注意。當(dāng)然，隨著其他私有的快充協(xié)議逐漸開放授權(quán)，相關(guān)的充電頭廠商也會將一些私有快充協(xié)議集成到充電頭中。目前OPPO VOOC閃充已經(jīng)開放授權(quán)，相關(guān)充電頭廠商已經(jīng)在做集成，隨著充電器的更迭，充電時間有望成為手機(jī)產(chǎn)品新一輪的比拼核心。在當(dāng)前的智能手機(jī)中，從0到100%充滿電勗快的是OPPO的Reno ACE，28分鐘就可以充滿4000mAh電池，不過這是去年的手機(jī)了。而ReaIme表示X50 Pro從0到100%充滿只要35分鐘。較市面部分30W旗艦手機(jī)，足足節(jié)省一半充電時間。在65W'陜充手機(jī)中，黑鯊m的4720mAh電池最快充電時間是38分鐘，OPPO的Find X2 Pro配備了4260mAh電池，也是38分鐘充滿。相對于氮化鎵對產(chǎn)業(yè)鏈的改變，相信大眾消費者更好奇和尖心的是自己的手機(jī)多快能充滿。而在這樣的消費需求引導(dǎo)下，手機(jī)快充應(yīng)用有望上升到新的高度。

光電子領(lǐng)域同樣需求旺盛

新冠肺炎疫情導(dǎo)致短期內(nèi)對GaN基深紫外UVC LED需求高漲。且長期來看。該技術(shù)是新的環(huán)保。高效紫外光源的不二之選，短期需求和長期市場規(guī)模都很可觀吋艮據(jù)LEDinside發(fā)布的《2019深紫外線LED應(yīng)用市場報告》顯示，2018年全球UV LED市場規(guī)模達(dá)2.99億美金，預(yù)計到2023年市場規(guī)模將達(dá)9.91億美金，2018-2023年CAGR達(dá)到27%。UV LED廣闊的發(fā)展前景正吸引越來越多的廠商進(jìn)入。

基于氮化鎵半導(dǎo)體的深紫外發(fā)光二極管（LED）是紫外消毒光源的主流發(fā)展方向，其光源體積小。效率高。壽命長，僅僅是拇指蓋大小的芯片模組，就可以發(fā)出比汞燈還要強(qiáng)的紫外光。由于其具備LED冷光源的全部潛在優(yōu)勢，深紫外LED是公認(rèn)的未來替代紫外汞燈的綠色節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。但深紫外LED技術(shù)門檻很高。目前還是處于發(fā)展階段。在光功率。光效。壽命。成本等方面還有待提升。

寫在最后

成為網(wǎng)紅的半導(dǎo)體材料

自20年前出現(xiàn)首批商業(yè)產(chǎn)品以來，氮化鎵已成為射頻功率應(yīng)用中LDMOS和GaAs的重要競爭對手。其性能和可靠性不斷提高且成本不斷降低。在5G應(yīng)用將氮化鎵需求推向新高度的同時，充電頭領(lǐng)域的革新，讓氮化鎵成為大眾眼中的新一代網(wǎng)紅。而未來。5G智能手機(jī)的屏幕越來越大，與之對應(yīng)的是手機(jī)續(xù)航的需求越來越高。這意味著電池容量的增加。GaN快充技術(shù)可以很好地解決大電池帶來的充電時長問題。