快充黑科技：氮化鎵的深度應用

文·圖/莊嘉

氮化鎵是一種新型半導體材料

氮化鎵與5G基站

隨著電子產品進入精細化時代，人們對于充電器在尺寸、功率等方面的需求也隨之提高，傳統的功率開關已經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字電源快充黑科技應運而生。

快充新變革的爆點：氮化鎵

2022年4月18日，中國企業倍思發布的新品“第五代氮化鎵Pro數字電源快充充電器160瓦”，引起了消費者和業界的廣泛關注。該款產品不僅是全球首款PD3.1標準的160瓦多口充電器（單口實現最高28伏140瓦），更是全球首款數字電源充電器，象征著人類邁入了數字電源的新紀元。由此，“氮化鎵”這個專業名詞迅速從快充界破圈。

根據英國廣播公司研究部門（BBC Research）的數據顯示，“全球手機充電器市場規模將從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%”。另據中信證券研報的數據顯示，“全球氮化鎵快充市場規模將從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，在數字電源時代，氮化鎵充電器即將迎來快速成長期。

提到數字電源，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體核心材料。就優點而言，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勢。又如，在有效縮小產品尺寸方面，采用氮化鎵技術的充電器外形尺寸可比傳統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具備了大功率、超級快充、輕巧輕便等特點，能支持手機、平板、PC（電腦）等設備快充。毫無疑問，氮化鎵快充技術已成為電子產品行業的新風口。

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，但其發展也面臨諸多問題：一方面，氮化鎵是自然界沒有的物質，完全要靠人工合成；另一方面，氮化鎵沒有液態，故不能使用單晶硅生產工藝的直拉法拉出單晶，而僅靠氣體反應合成。因此，生產氮化鎵存在反應時間較長、副產物較多、設備要求苛刻等難題，造成了其制造成本高、不利于大批量產的情況。

不局限于快充領域的氮化鎵技術

根據阿里巴巴達摩院發布的“2021十大科技趨勢”，其中預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體迎來應用大爆發。由此可見，作為第三代半導體材料的典型代表，氮化鎵的應用領域存在深挖空間。

就化學原理而言，氮化鎵是迄今為止電光、光電轉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、高轉換效率、高擊穿電壓等特性。這就為微顯示、手機快充、氮化鎵汽車等提供了無限的可能性。

實踐層面也是如此，氮化鎵應用版圖正在逐步擴大。目前，作為支撐“新基建”建設的關鍵核心器件，氮化鎵下游應用切中了“新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵、數據中心、軍事雷達等主要領域需求。長遠來看，氮化鎵的高效電能轉換特性，能夠幫助實現光伏、風電（電能生產），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車、工業電源、機車牽引、消費電源（電能使用）等領域的電能高效轉換，助力“碳達峰、碳中和”目標實現。由此可見，氮化鎵技術及產業鏈已經初步形成，相關器件正快速發展。

當前，我國充分意識到氮化鎵等第三代半導體有望成為國家半導體產業發展的彎道超車機會，遂在“十四五”規劃中將其提升至戰略高度。

特別值得關注的是，在5G移動通信等射頻濾波器領域，氮化鎵目前滲透率較高、未來發展前景大，尤其適用于價格敏感度較低的基站建設和改造。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，由于在基站領域，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器件，氮化鎵在整個基站所用半導體器件中的比重正不斷提升。

又如，在Micro LED領域，氮化鎵巨量轉移技術是該領域發展的重點。巨量轉移（又稱薄膜轉移），是將Micro LED器件轉移至具有特定驅動基板上，并組裝成二位周期陣列。通俗而言，就是三步：一是從預定位置以非常高的空間精度和方向拾取微型模具（預制）；二是將這些微型芯片移動到預定位置，同時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，有選擇地在該新位置分配微芯片。將氮化鎵應用于巨量轉移技術的意義在于，能夠有效解決轉移精度要求嚴格的問題，可以廣泛應用于可穿戴設備及超大屏幕顯示器。

氮化鎵深度應用的域外借鑒

根據中國獨角獸企業“智慧芽”的數據顯示，“全球在氮化鎵產業已申請16萬余件專利，有效專利6萬余件。其中，保護類型以發明專利為主，行業技術創新度比較高。該領域中，日本、歐美技術實力較強，中、日市場較熱”。由此可見，目前主流氮化鎵生產廠家依舊集中在日本、歐美等發達國家。這些發達國家聚焦的領域均是氮化鎵器件。通俗而言，氮化鎵器件即“運用氮化鎵嵌入某一設備、線路中，組合形成電功率器件或組件”。

在日本，氮化鎵襯底是研發重點。氮化鎵襯底是一種具有較大禁帶寬度的半導體，具備穩定性強、高熔點、堅硬程度高等特質，屬于半導體的前沿產物。從用途來看，氮化鎵襯底可以用來提升外延膜的晶體質量，制作微波功率晶體管或藍色光發光器件；降低位錯密度，提高器件工作壽命；提高發光效率，提高器件工作電流密度。毫無疑問，日本在氮化鎵襯底技術研發方面已經處于世界領先地位。

德國則更加關注諸如氮化鎵Fet等“功率元件”，以及由多個功率元器件集成的“功率模塊”（如電源轉換器）的研發。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，其開關頻率高、導通電阻小，因而能夠實現電源電路效率更高、損耗更低。

此外，值得關注的是日本豐田汽車集團已經聯手日本名古屋大學合作開發了全球第一款“全氮化鎵汽車”，并與德國寶馬集團開展深度合作，拓展該款汽車的投產空間與性能優化。這表明了全氮化鎵汽車從實驗到投產的腳步近了。

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