由于2 月13 日小米在新品發表會中，除了推出小米10 系列外，更宣布采用氮化鎵(GaN) 作為原料的充電器，一時間原本GaN 在射頻領域熱燒的話題，快速延燒至電池產業。

隨著消費電子產品、電動車、家用電器等產品更新換代，產品的性能也越來越受重視，尤其是在功率設計方面。如何提升電源轉換能效，提高功率密度水平，延長電池續航時間，成為了新一代電子產品面臨的最大挑戰。

在這樣的背景下，一種新型的功率半導體——氮化鎵（GaN）的出現，或許會成為未來電子產業的“香餑餑”。

一、蟄伏20年的第三代半導體材料GaN

上個月剛結束的小米10發布會上，和小米10一同火起來的，還有小米創始人雷軍著重介紹額65W小米GaN充電器。雷軍夸其為“實在太方便了！”新品火起來的同時，還引起投資人對于第三代半導體的廣泛關注。

了解GaN之前，首先我們要弄清楚關于半導體材料的一些知識。

半導體材料歷經 3 個發展階段，第一代是硅 (Si)、鍺 (Ge) 等基礎功能材料；第二代開始進入由 2 種以上元素組成的化合物半導體材料，以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 等為代表；第三代則是氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等寬頻化合物半導體材料。

目前全球絕大多數半導體元件，都是以硅作為基礎功能材料的硅基半導體，不過，在高電壓功率元件應用上，硅基元件因導通電阻過大，往往造成電能大量損耗，且在高頻工作環境下，硅元件的切換頻率相對較低，性能不如寬頻化合物半導體材料。

硅基半導體受限硅材料的物理性質，而氮化鎵、碳化硅則因導通電阻遠小于硅基材料，導通損失、切換損失降低，可帶來更高的能源轉換效率。挾著高頻、高壓等優勢，加上導電性、散熱性佳，元件體積也較小，適合功率半導體應用，近來在 5G、電動車等需求推升下，氮化鎵等材料崛起成為半導體材料明日之星。

不過，其實氮化鎵材料廣為人知，是始于 LED 領域，1993 年時，日本日亞化學的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵 (InGaN)，開發出具高亮度的藍光 LED，人類也因此湊齊可發出三原色光的 LED。梳理具體詳情如下：

第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）等元素的材料，常用在信息技術中的分立器件和集成電路中，電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程等產業中都得到了極為廣泛的應用。

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge－Si、GaAs－GaP；玻璃半導體（又稱非晶態半導體），如非晶硅、玻璃態氧化物半導體；以及有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

第三代半導體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導體材料。在應用方面，根據第三代半導體的發展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域。在本文中重點介紹的GaN，并不存在于自然界，只能在實驗室中制成。具有帶隙寬、原子鍵強、導熱率高、化學性能穩定、抗輻照能力強、結構類似纖鋅礦、硬度很高等特點，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用等方面有著廣闊的應用前景。

在1998年，美國研制出GaN晶體管，資料顯示，GaN在室溫下帶隙為3．49eV（電子伏特）。一般來說，帶隙就是指禁帶寬度，是半導體材料的一個重要特征參量，其大小主要決定于半導體的能帶結構。

若禁帶寬度Eg＜ 2．3eV，則稱為窄禁帶半導體，如Ge、Si、GaAs以及InP；若禁帶寬度Eg＞2．3eV則稱為寬禁帶半導體，如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。

由于寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強以及良好的化學穩定性等特點，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

以GaN為例，熔點高達1700℃。有人曾做過實驗，在一般高溫情況下，GaN不會發生分解反應，只有將其放置于氮氣或氦氣中且溫度超過1000℃時GaN才會慢慢揮發，證明GaN可以在較高的溫度下保持其穩定性。這也是為什么GaN能被廣泛運用在大功率半導體中的原因。

二、GaN產業鏈及市場規模

與SiC產業鏈類似，GaN產業鏈可依次分為GaN襯底→GaN外延→器件設計→器件制造。從國內外GaN產業發展來看，美國、日本成為GaN產業發展的佼佼者，中國企業入局者則為數不多。

因為材料特性的差異，硅在高于1200V 的高電壓、大功率具有優勢，而GaN 制的產品更適合40～1200V 的應用，特別是在600V/3KW 能發揮最大優勢。因此，在伺服器、馬達驅動、UPS 等領域，GaN 可以挑戰傳統MOSFET 或IGBT 的地位。

Yole預計2024年GaN電源市場產值將超過3.5億美元，CAGR達85%，當中，GaN快充是推動產業高成長的主要力量。此外，GaN還有望滲透進入汽車及工業和電信電源應用中。

從生產端來看，GaN 功率半導體已開始少量出貨，但由于其價格過于昂貴，是影響現階段發展受限的主要因素。價格不親民是因為目前GaN 制芯片仍以6 吋及以下的晶圓廠生產為主，尚未顯現規模效應，若未來成本能再大幅下降，市場需求就會爆發。

在GaN功率領域中，市場主要由Infi neo n、EPC、GaN Systems、Transphorm，及Navitas等公司主導，其產品是由TSMC，Episil、X-FAB進行代工。中國新興代工廠中，三安光電和海特高新具有量產GaN功率零組件的能力。

雖然GaN 有著許多優勢，但因為產品價格偏高，這是現在消費性電子產品未大量采用的主因。反而在衛星、軍事這類對價格敏感度低的產業，GaN 零組件對其有極大的吸引力。

不過，從意法半導體與臺積電之間的合作可以看出，在5G 世代中，GaN 已經是不可缺少的重要原料，特別是在車電領域(與手機等消費性電子相比，價格敏感度低)，將是國際大廠搶進重點領域之一。

非常值得一提的是，在射頻領域，氮化鎵射頻器件適合高頻高功率場景，是5G時代的絕佳產品，將替代Si基芯片，應用在5G基站、衛星通信、軍用雷達等場景。

在政治局會議多次點名之下，5G基站的建設迎來高峰，相應的各種射頻器件、芯片數量和質量都在提升，市場需求旺盛。氮化鎵工藝正在逐步占領市場，已經勢不可擋。拓璞產業研究院預計到2023年基站端GaN射頻器件規模達到頂峰，達到112．6億元。

再加上衛星通信、軍用雷達的市場，據預測GaN射頻市場將從2018年的6．45億美元增長到2024年的約20億美元。

三、GaN產業應用前景

GaN 目前主要的應用就在微波射頻、電力兩大領域。具體而言，微波射頻包含5G 通訊、雷達預警、衛星通訊等應用；電力則包含智慧電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等。

快充產品領域：GaN材料應用范圍廣泛，最為人熟知的就是在快充產品領域。最初快充出現的時候還并不被大伙所看好，總感覺這么短時間內充滿一塊電池，擔心電池爆炸。隨著快充逐漸升級為超級快充，充電時間越來越短，對于電池安全的隱憂雖然沒有徹底放下，但人們也越來越愿意接受。

新型的GaN快充與傳統快充相比，由于GaN的材料特性能提供更高的能量轉化效率，降低了功耗，減小了充電時的發熱問題；GaN充電器擁有更大的功率密度，能夠實現更快的充電速度；此外，GaN充電器功率器件的開關頻率顯著高于傳統快充中的Si功率器件，因此可以實現體積更小的充電器產品設計。

今年2月，小米發布新品，其中65W GaN充電器成為一大亮點。

這款充電器易散熱、充電快（比iphone原裝快50％，從0到100％的電量只需45分鐘）、體積小（比常規充電器小了50％），且售價只要149元，性價比較高。3天預約就超5萬，一時間，這一黑科技產品站上了風口，氮化鎵也因此引發市場的強烈關注。

不過這并不是第一款氮化鎵充電器，早在去年四季度，OPPO就發布了全球首款65W GaN充電器。兩家大廠相繼布局，意味著技術已經進一步成熟。

而且，氮化鎵充電器并不僅僅用于手機充電。更小、更便捷的GaN充電器是解放筆記本的一大利器。未來，筆記本、新能源車或許都會用到氮化鎵充電器。

電動汽車、光伏等功率半導體領域：目前電動汽車、光伏、智能電網等領域使用的IGBT是硅基材料，如果未來氮化鎵技術取得突破，從而滲透進IGBT半導體領域，那么將進一步打開氮化鎵市場的天花板。

照明領域：半導體照明是目前國內外非常受人矚目的一種新型的高效、節能和環保光源，它將取代大部分傳統光源，又被稱為21世紀的能源革命．GaN能和NIn、NAl相互摻雜改變III族元素的比例，從而能使其發光波長覆蓋從紅光到紫外光的范圍，由此達到更高效率、高亮度的光源方面的應用。

電力：在600 伏特左右電壓下，GaN 在電源管理、發電和功率輸出方面具有明顯的優勢，這使GaN 材料的電源產品可更為輕薄、高效率，且GaN 充電插頭體積小、功率高、支援PD 協定，有機會在未來統一NB 和手機的充電器市場。

射頻領域：

GaN 的射頻零組件具有高頻、高功率、較寬頻寬、低功耗、小尺寸的特點，能有效在5G 世代中節省PCB 的空間，特別是手機內部空間上，且能達到良好的功耗控制。

在5G產品中，GaN主要應用在Sub-6GHz基地臺和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole預估GaN射頻市場將從2018年的6.45億美元成長2024年的20億美元，CAGR達21%，這主要受電信基礎設施及國防兩大領域所推動，而衛星通信、有線寬頻和射頻也有一定的貢獻。

在要求高頻高功率輸出的衛星通訊中，市場預估GaN 將逐漸取代GaAs 成為新的解決方案。而在有線電視和民用雷達市場與LDMOS 或GaAs 材料相比，GaN 的成本仍高，短期內大量取代的情況不易見。

在GaN 射頻領域主要由美、日兩國企業主導，其中，以美商Cree 居首，住友電工、東芝、富士通等日商緊追在后，中國廠如三安光電、海特高新、華進創威在此領域雖有著墨，但與國際大廠相比技術差距大。

5G射頻領域重點發力：

隨著5G技術的爆發，相關產業對射頻功率、功耗的要求進一步提升，GaN將逐漸取代Si材料。在相控陣雷達、電子對抗戰、精確制導等軍事化場景中，GaN的運用也越來越廣泛。

市場研究和戰略咨詢公司Yole曾經表示，2018年GaN射頻器件市場規模達到4．57億美元，未來5年復合增長率超過23％。在整個射頻應用市場，GaN器件的市場份額將逐漸提高。長期來看，在宏基站和回傳領域，憑借高頻高功率的性能優勢，GaN將逐漸取代LDMOS和GaAs從而占據主導位。

GaN 是極為穩定的化合物，又是堅硬和熔點高的材料，其熔點為高達1700℃。同時，GaN 有較高的電子密度和電子速度，其高電離度，也是在三五族化合物中最高的，因此受到高頻、高功率類別電子產品的青睞。

四、還存在哪些缺點？

雖然GaN相比于Si等材料更節能、更快，具備更好的恢復特性，但是仍然談不上徹底取代。由于若干原因，GaN并不常用于晶體管中，因為GaN器件通常是耗盡型器件，當柵極 － 源極電壓為零時它們會產生導通，這是一個問題。

其次，GaN器件極性太大，難以通過高摻雜來獲得較好的金屬－半導體的歐姆接觸，這是GaN器件制造中的一個難題，現在最好的解決辦法就是采用異質結，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然后再采用高摻雜來實現歐姆接觸，但這種工藝很復雜。

五、氮化鎵代工爭奪戰開始

蘋果 iPhone X 採用 3D 感測技術后，半導體材料砷化鎵因 VCSEL 等應用而聲名大噪，近來隨著 5G、電動車等新應用興起，對功率半導體需求增溫，新一代材料氮化鎵 (GaN) 挾著高頻率等優勢，快速攫獲市場目光；以中國臺灣企業為代表的代工企業繼站穩硅晶圓代工、砷化鎵晶圓代工龍頭地位后，也積極搶進氮化鎵領域，力拚再拿代工龍頭寶座。

LED 領域發光發熱后，近來受惠 5G、電動車應用推升，對高頻率、高功率元件需求成長，市場對氮化鎵的討論聲浪再度高漲。氮化鎵主要應用于 600 至 1000 伏特的電壓區間，具備低導通電阻、高頻率等優勢，可在高溫、高電壓環境下運作，但主要優勢仍在于高頻率元件，在高壓與高功率表現上，雖優于硅基材料，但不如碳化硅材料表現亮眼。

從應用面來看，氮化鎵應用包括變頻器、變壓器與無線充電，為國防、雷達、衛星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設備的理想功率放大元件。

由于 5G 技術采用更高的操作頻率，業界看好，GaN 元件將逐步取代橫向擴散金氧半導體 (LDMOS)，成為 5G 基站主流技術；且在手機功率放大器 (PA) 方面，因 GaN 材料具備高頻優勢，未來也可望取代砷化鎵製程，成為市場主流。

現行的 GaN 功率元件，以 GaN-on-Si(硅基氮化鎵)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)2 種晶圓為主，雖然 GaN-on-SiC 性能相對較佳，但價格大幅高于 GaN-on-Si，也使 GaN-on-Si 仍為目前市場主流，主要應用于電力電子領域，未來可望大幅導入 5G 基地臺的功率放大器 (PA)。

看準龐大需求 晶圓代工廠積極搶進

看準了氮化鎵這個機會，中國廠商正在積極推進。首先從臺廠進度來看，磊晶硅晶圓廠嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶硅晶圓，已進入國際 IDM 廠認證階段，并爭取新訂單中；而同屬漢磊投控 集團的晶圓代工廠漢磊科，則已量產 6 吋 GaN on Si 晶圓代工，瞄準車用需求；晶圓代工龍頭臺積電 也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圓代工服務。

至于 GaN-on-SiC 磊晶晶圓，則在散熱性能上具優勢，適合高溫、高頻操作環境，主要應用在功率半導體的車用、工業與消費型電子元件領域，少量應用于通訊射頻領域。目前 GaN-on-SiC 晶圓可做到 4 吋與 6 吋，未來可望朝 8 吋推進，惟磊晶技術主要集中在碳化硅晶圓大廠 Cree 手中，其在 SiC 晶圓市占率高達 6 成之多，幾乎獨霸市場。

不過，在晶圓代工產能方面，三五族半導體晶圓代工廠穩懋 已開始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工服務，應用瞄準高功率 PA 及天線；而環宇 - KY也擁有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 產能，且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工產能已通過認證。

晶圓代工廠世界先進也在 GaN 材料上投資超過 4 年時間，持續與設備材料廠 Kyma、及轉投資 GaN 硅基板廠 Qromis 攜手合作，著眼開發可做到 8 吋的新基底高功率氮化鎵技術 GaN-on-QST，今年可望有小量樣品送樣，初期主要瞄準電源領域應用。

5G 應用推升氮化鎵材料需求，而除站穩硅晶圓代工龍頭、砷化鎵晶圓代工龍頭寶座外，臺廠在第三代半導體材料上，當然也不能缺席，包括硅晶圓代工廠、三五族半導體晶圓代工廠，均積極佈局氮化鎵領域，以迎接 5G 時代下的半導體材料新革命。

小結

歐美等國家正在持續加大第三代半導體領域研發支持力度，以GaN、SiC為首的第三代半導體材料被廣泛應用，是半導體以及下游電力電子、通訊等行業新一輪變革的突破口。

近年來，國內第三代半導體產業穩步發展，但在材料指標、器件性能等方面與國外先進水平仍存在一定差距，第三代半導體產業本土化、高端化的需求依然緊迫。

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