最近幾年，手機行業(yè)的“軍備競賽”日益激烈，每家廠商都在不斷加大研發(fā)力度，希望自家產(chǎn)品能在性能上盡可能長時間地壓倒對手，消費者幾乎每隔幾個月就能在新手機上看到全新的技術(shù)應用或是舊功能得到革新。

 

在諸多技術(shù)之中，充電技術(shù)是這場競賽的核心“軍備”。從華為的40W快充開始，小米、OPPO、vivo等廠商陸續(xù)推出44W、55W、65W乃至最近的125W快充，用戶的生活方式逐漸改變。不再需要向過去那樣整晚給充電，每天只需洗漱時充電一小會，就能滿足大半天的使用，生活方便了許多。
 

但與此同時，隨著充電功率的上升，里面的散熱組件及濾波、保險、電容等器件越來越多，充電器的體積也越來越大。過去可以揣在口袋里的充電頭，在65W快充到來的時代，已經(jīng)有了向磚頭靠攏的趨勢。
 

在未來，阻礙快充普及的可能不再是充電發(fā)熱、自燃之類的安全風險，而是充電頭巨大的體積和沉甸甸的重量。充電技術(shù)發(fā)展遇到了短暫的瓶頸。
 

不過，這個瓶頸很快被突破了。
 

去年8月份，愛否聯(lián)合倍思發(fā)布了國內(nèi)市場第1款65W氮化鎵充電器，它的體積只有其他廠商65W充電器的一半左右，頓時引發(fā)了關(guān)注。自此，“氮化鎵(GaN)”一詞開始成為了數(shù)碼圈的熱詞。很快，OPPO跟進推出自家的65W氮化鎵充電器，許多第三方廠商也推出相應產(chǎn)品。
 

今年1月，小米也推出這一產(chǎn)品。通過有巨大網(wǎng)絡影響力的雷軍不遺余力地宣傳，氮化鎵的熱度再度拔高。
 

接著，華為在基站中棄用美國芯片，轉(zhuǎn)而使用“備胎”氮化鎵射頻PA的消息傳出，更是讓這種新貴材料的熱點不再限于充電器行業(yè)。人們對整個氮化鎵半導體行業(yè)的關(guān)注都開始上升。
 

事實上，說氮化鎵材料是“新貴”不太貼切，事實上，早在30年前，這種材料就已經(jīng)被用在半導體上。但因為種種原因，它在過去并沒得到廣泛使用，大多數(shù)人對其也是知之甚少。
 

簡單說，半導體行業(yè)發(fā)展近百年，已經(jīng)經(jīng)歷了3代半導體晶圓材料的革新。第1代半導體是鍺和硅;第2代半導體以砷化鎵、磷化銦為代表;氮化鎵則屬于第3代半導體材料，與其同類的還有碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等。

其中，氮化鎵和碳化硅是目前研究最為火熱的第3代半導體材料，被稱為第3代半導體的“雙子星”。
 

那么，比起第1代和第2代半導體，第3代半導體的進步在哪里呢?第3代半導體又稱作“寬禁帶半導體”，顧名思義，其核心優(yōu)勢就在“寬禁帶”上。
 

先簡單科普一下“禁帶”的概念。
 

初中化學內(nèi)容：一個物體能否導電以及導電能力強不強，取決于其能否產(chǎn)生自由流動的電子以及產(chǎn)生自由電子的能力。金屬類元素的原子核對外層電子的束縛能力較弱，因此表現(xiàn)為良導體;非金屬元素原子核對于外層電子束縛能力強，因此外層電子不能自由流動，成為了絕緣體。
 

而半導體在二者之間——它本身不導電，但是在一定的狀況下，比如摻進雜質(zhì)后，就可以導電。
 

在固體中，原子外的電子會分成不同能級，當原子間相互作用導致能級移動時，就產(chǎn)生了一組差別很小的能級，也就是能帶。其中，電子從最低能級開始依次向上填充，被填滿的能帶稱為滿帶，滿帶中能量最高的一條稱為價帶。由于已經(jīng)擠滿了電子，可以認為價帶中的電子是不導電的。
 

從價帶繼續(xù)往上，就是沒有被填滿的能帶，由于這個能帶幾乎是空的，所以電子可以自由移動，這個能帶就是導帶。在導帶和價帶之間的就是禁帶。換句話說，禁帶就是電子從價帶“突破”到導帶所需的能量。
 

簡單打個比方，滿帶就像半導體內(nèi)一條擠滿電子的公路A，導帶則是旁邊是一條空蕩蕩的公路B，禁帶是公路A和公路B之間的溝，價帶則是公路A上最靠近公路B的車道。
 

如果溝太寬，電子沒辦法從公路A跳到公路B上去，交通便陷入徹底癱瘓，這就是絕緣體;如果溝很窄，電子很容易走上公路B，交通就會立刻順暢起來，這就是金屬。半導體就是在公路A和公路B之間搭了一座升降橋，實現(xiàn)電子可控地移動。

從這里我們可以知道，半導體的禁帶不能太窄，否則只需很小的能量就能讓所有電子自由移動。半導體就變成了導體，上面的電流不再可控。
 

更關(guān)鍵的是，這種情況是不可逆的，所有電子成為自由電子后，化學鍵就破裂了，材料本身發(fā)生了變性。一旦化學鍵破裂，就會和環(huán)境中的其他原子，例如氧，形成新的化學鍵，就不再是晶體了。
 

反過來，禁帶寬的好處有很多。比如和前面說的相反，禁帶越寬，意味著這個材料本身越難成為導體，可以承受的電壓也就越高，用它制作半導體器件也就能承受更高的功率和溫度。
 

進而，相對于原來的硅器件，同樣電壓等級下，寬禁帶半導體的die(從晶圓上切割下的芯片)可以做得更小，從而讓干擾半導體元件性能的寄生參數(shù)更小，發(fā)熱更小。寄生參數(shù)小則帶來導通速度快、反向恢復電流小、開關(guān)損耗小、承受溫度高等優(yōu)勢。
 

從具體指標上可以看出，第3代半導體幾乎全面領先硅和砷化鎵：

從4000萬到20億美金的市場
 

在氮化鎵和碳化硅中，碳化硅熱導率較高，使得其在高功率應用中占據(jù)統(tǒng)治地位;由于氮化鎵具有更高的電子遷移率，具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應用領域，氮化鎵具備優(yōu)勢。

今年4月20日，國家發(fā)改委宣布“新基建”的范圍，第3代半導體赫然在列。

在第3代半導體中，碳化硅相對氮化鎵發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些，其優(yōu)勢在高溫和1200V以上的大電力領域，包括電力、高鐵、電動車、工業(yè)電機等。不過，近年來氮化鎵適合的高頻小電力領域，例如通信基站、毫米波等產(chǎn)業(yè)開始興起，碳化硅未來市場廣大。

當然，在消費者領域，和氮化鎵耐高壓、高溫、大電流特性最匹配的，無疑就是用在快充上了。其功率密度更大，因此功率密度/面積遠超硅基，此外由于使用氮化鎵芯片后還減少了周邊的其他元件的使用，電容，電感，線圈等被動件比硅基方案少的多，進一步縮小的體積。

小米1月發(fā)布的65W快充，尺寸僅為56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，體積比小米筆記本標配的65W適配器小了約48%，約為蘋果61W快充充電器的三分之一。

從總體產(chǎn)業(yè)格局看，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈和傳統(tǒng)半導體產(chǎn)業(yè)類似，包括單晶襯底制造→氮化鎵材料外延→氮化鎵器件設計→氮化鎵器件制造這4個環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)相關(guān)企業(yè)來看，基本以歐美企業(yè)為主，中國企業(yè)已經(jīng)有所涉足。

氮化鎵器件主要分成射頻器件和功率器件以及光電器件三大方面。氮化鎵光電器件已經(jīng)是成熟市場，規(guī)模也不大，為了這個領域的發(fā)展將主要集中在射頻器件和功率器件上。

根據(jù)Yole的統(tǒng)計，2018年，氮化鎵功率和射頻相加僅僅4000萬美金的市場規(guī)模，但業(yè)內(nèi)認為，隨著5G基站的建設高潮，汽車電子、激光雷達以及消費電子的快速增長，無論是功率領域還是射頻領域，氮化鎵器件市場未來都會出現(xiàn)較大增長。

Yole預測，氮化鎵射頻器件市場預計到2024年成長至20億美元;同時，氮化鎵功率器件市場規(guī)模預計到2022年將增長到4.6億美元。