快充黑科技：氮化镓的深度应用

文·图/庄嘉

氮化镓是一种新型半导体材料

氮化镓与5G基站

随着电子产品进入精细化时代，人们对于充电器在尺寸、功率等方面的需求也随之提高，传统的功率开关已经无法满足市场对于大功率、快速充、微尺寸的需求，以氮化镓为典型代表的数字电源快充黑科技应运而生。

快充新变革的爆点：氮化镓

2022年4月18日，中国企业倍思发布的新品“第五代氮化镓Pro数字电源快充充电器160瓦”，引起了消费者和业界的广泛关注。该款产品不仅是全球首款PD3.1标准的160瓦多口充电器（单口实现最高28伏140瓦），更是全球首款数字电源充电器，象征着人类迈入了数字电源的新纪元。由此，“氮化镓”这个专业名词迅速从快充界破圈。

根据英国广播公司研究部门（BBC Research）的数据显示，“全球手机充电器市场规模将从2017年的181亿美元增长至2022年的250亿美元，其中快充占27.43亿美元，占比10.97%”。另据中信证券研报的数据显示，“全球氮化镓快充市场规模将从2020年的23亿元增长到2025年的600多亿元（折合90多亿美元）”。由此可见，在数字电源时代，氮化镓充电器即将迎来快速成长期。

提到数字电源，人们不禁要问何为“氮化镓”？氮化镓的分子式是“GaN”，英文全称“Gallium Nitride”。氮化镓是氮和镓的化合物，它是第三代人工合成的半导体核心材料。就优点而言，氮化镓具备耐高温与高压、电阻低、易散热、损耗小、功率大、电子迁移率高、饱和电子漂移速度快等特征。以功率大为例：基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好，功率更大，彰显了氮化镓材料的优势。又如，在有效缩小产品尺寸方面，采用氮化镓技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少30%至50%。基于此，氮化镓赋予了充电头集成度和能量转化率更高的特性，让“一头多充”“大功率”“小体积”的共存成为可能。

目前，氮化镓快充充电器已经具备了大功率、超级快充、轻巧轻便等特点，能支持手机、平板、PC（电脑）等设备快充。毫无疑问，氮化镓快充技术已成为电子产品行业的新风口。

尽管氮化镓快充在性能、效率、能耗、尺寸等方面较市场主流的充电器有显著的量级提升，但其发展也面临诸多问题：一方面，氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成；另一方面，氮化镓没有液态，故不能使用单晶硅生产工艺的直拉法拉出单晶，而仅靠气体反应合成。因此，生产氮化镓存在反应时间较长、副产物较多、设备要求苛刻等难题，造成了其制造成本高、不利于大批量产的情况。

不局限于快充领域的氮化镓技术

根据阿里巴巴达摩院发布的“2021十大科技趋势”，其中预测的第一大趋势就是以“氮化镓、碳化硅”为代表的第三代半导体迎来应用大爆发。由此可见，作为第三代半导体材料的典型代表，氮化镓的应用领域存在深挖空间。

就化学原理而言，氮化镓是迄今为止电光、光电转换效率最高的材料体系。因此，利用氮化镓制作的电子器件具有高频、高转换效率、高击穿电压等特性。这就为微显示、手机快充、氮化镓汽车等提供了无限的可能性。

实践层面也是如此，氮化镓应用版图正在逐步扩大。目前，作为支撑“新基建”建设的关键核心器件，氮化镓下游应用切中了“新基建”中5G基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁、数据中心、军事雷达等主要领域需求。长远来看，氮化镓的高效电能转换特性，能够帮助实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，助力“碳达峰、碳中和”目标实现。由此可见，氮化镓技术及产业链已经初步形成，相关器件正快速发展。

当前，我国充分意识到氮化镓等第三代半导体有望成为国家半导体产业发展的弯道超车机会，遂在“十四五”规划中将其提升至战略高度。

特别值得关注的是，在5G移动通信等射频滤波器领域，氮化镓目前渗透率较高、未来发展前景大，尤其适用于价格敏感度较低的基站建设和改造。由于氮化镓材料的散热特性、功率特性能够较好满足5G基站要求，伴随氮化镓器件成本的下降和工艺的成熟，氮化镓材料有望成为基站PA（功放）主流材料。同时，由于在基站领域，毫米波、小基站、波速成形、载波聚合等需求均需要使用氮化镓相关器件，氮化镓在整个基站所用半导体器件中的比重正不断提升。

又如，在Micro LED领域，氮化镓巨量转移技术是该领域发展的重点。巨量转移（又称薄膜转移），是将Micro LED器件转移至具有特定驱动基板上，并组装成二位周期阵列。通俗而言，就是三步：一是从预定位置以非常高的空间精度和方向拾取微型模具（预制）；二是将这些微型芯片移动到预定位置，同时保持微型芯片的相对空间位置和方向；三是在保持新的相对位置和方向的同时，有选择地在该新位置分配微芯片。将氮化镓应用于巨量转移技术的意义在于，能够有效解决转移精度要求严格的问题，可以广泛应用于可穿戴设备及超大屏幕显示器。

氮化镓深度应用的域外借鉴

根据中国独角兽企业“智慧芽”的数据显示，“全球在氮化镓产业已申请16万余件专利，有效专利6万余件。其中，保护类型以发明专利为主，行业技术创新度比较高。该领域中，日本、欧美技术实力较强，中、日市场较热”。由此可见，目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在日本、欧美等发达国家。这些发达国家聚焦的领域均是氮化镓器件。通俗而言，氮化镓器件即“运用氮化镓嵌入某一设备、线路中，组合形成电功率器件或组件”。

在日本，氮化镓衬底是研发重点。氮化镓衬底是一种具有较大禁带宽度的半导体，具备稳定性强、高熔点、坚硬程度高等特质，属于半导体的前沿产物。从用途来看，氮化镓衬底可以用来提升外延膜的晶体质量，制作微波功率晶体管或蓝色光发光器件；降低位错密度，提高器件工作寿命；提高发光效率，提高器件工作电流密度。毫无疑问，日本在氮化镓衬底技术研发方面已经处于世界领先地位。

德国则更加关注诸如氮化镓Fet等“功率元件”，以及由多个功率元器件集成的“功率模块”（如电源转换器）的研发。以氮化镓Fet为例。用氮化镓材料制成的功率器件氮化镓Fet具有低的击穿电压、低的阈值电压、低的栅极电荷等特性，其开关频率高、导通电阻小，因而能够实现电源电路效率更高、损耗更低。

此外，值得关注的是日本丰田汽车集团已经联手日本名古屋大学合作开发了全球第一款“全氮化镓汽车”，并与德国宝马集团开展深度合作，拓展该款汽车的投产空间与性能优化。这表明了全氮化镓汽车从实验到投产的脚步近了。

综上，与其说氮化镓开启了快充领域的新增长点，并将触角延伸至5G基站、车载新能源、功率器件、数字终端等前沿领域，不如说氮化镓走在第三代半导体材料发展的前列，成了未来科技发展的国家级战略材料，可谓意义非凡！