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(shí)。一場(chǎng)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(gè)GaN（氮化鎵）充電器，攝影師來(lái)多拍幾張照片。”在小米10手機(jī)的在線發(fā)布會(huì)上，雷軍絲毫沒(méi)有掩飾對(duì)小米GaN充電器的喜愛(ài)。

而在沒(méi)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(huì)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(kāi)始布局相前的產(chǎn)業(yè)的華為。三星。蘋(píng)果等巨頭，氮化鎵充電器成功在整個(gè)消費(fèi)電子領(lǐng)域刮起一陣颶風(fēng)，

時(shí)間軸回到2020年2月13日。小米通過(guò)線上直播的形式。面向百萬(wàn)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(huì)的一大重要亮點(diǎn)。小巧。高效。發(fā)熱低等特點(diǎn)對(duì)于一款全新充電器而言本屬標(biāo)配。而對(duì)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(lái)，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(yùn)用，其核心無(wú)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(yùn)用，極大縮短了充電時(shí)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(shí)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(huì)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(chǎng)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(chǎng)，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(gè)IT業(yè)界引發(fā)足夠的震動(dòng)，光快顯然是不夠的。

充電器大一統(tǒng)的希望

相對(duì)更尖心充電效率的普通用戶(hù)，業(yè)界對(duì)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(kāi)的數(shù)據(jù)，小米GaN充電器可以智能識(shí)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(fèi)者出門(mén)只需要攜帶一個(gè)充電器就能為幾乎所有的隨身數(shù)碼產(chǎn)品充電，這對(duì)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(shí)候推出的紅魔“氘鋒”65W氮化鎵充電器也證實(shí)了這一點(diǎn)。該充電器擁有兩個(gè)USB-C PD輸出接口，一個(gè)USB-A快充接口，不管新老設(shè)備用戶(hù)都能很好地兼顧需求，可以同時(shí)為三臺(tái)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(jì)，

數(shù)碼設(shè)備充電器有望“一統(tǒng)”的表現(xiàn)足以令整個(gè)業(yè)界震撼，畢竟多個(gè)品類(lèi)數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)于充電器的需求本身是海量的，這還牽扯到用戶(hù)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(shí)，氮化鎵充電器小巧便攜的外觀設(shè)計(jì)，也讓其能夠快速征服消費(fèi)者。

腰斬的體積

充電頭發(fā)展至今。人們對(duì)于便攜性的追求本身就讓其格外重視體積與便攜性?？稍诘壋潆娖髅媲啊鹘y(tǒng)充電器的確顯得大過(guò)臃腫了。

開(kāi)關(guān)頻率高讓氮化鎵充電器成為目前全球勗快的功率開(kāi)關(guān)器件。開(kāi)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(huì)比一般充電頭的體積和重量更小。更低了，同時(shí)發(fā)熱量也會(huì)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(yùn)用到充電器之前。體積。充電功率一度都是魚(yú)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(wèn)題，蘋(píng)果官方配備的僅僅是一千18W的充電頭。

撇開(kāi)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(píng)果這個(gè)消費(fèi)科技巨頭手上也無(wú)法“點(diǎn)石成金”，新材料的嘗試和運(yùn)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(chēng)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(lèi)似纖鋅礦。硬度很高，氮化鎵的能隙很寬為3.4電子伏特?？梢杂迷诟吖β?。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(guò)受限于當(dāng)時(shí)的制程工藝。GaN并沒(méi)有被廣泛運(yùn)用，

雖然發(fā)現(xiàn)且使用時(shí)間很長(zhǎng)，但氮化鎵這種材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域卻有相當(dāng)?shù)牡匚?，元素硅和鍺是第一代半導(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(lái)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(duì)，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(duì)半導(dǎo)體器件性能。效率、小型化要求的越來(lái)越高，傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料逐漸無(wú)法滿(mǎn)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(guó)競(jìng)相布局的焦點(diǎn)。

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(shí)上，相比在充電器上的應(yīng)用，5G才是氮化鎵的真正戰(zhàn)場(chǎng)，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(shí)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(chǎng)效晶體管）已經(jīng)成為未來(lái)宏基站功率放大器的候選技術(shù)。預(yù)計(jì)到2025年，GaN將主導(dǎo)射頻功率器件市場(chǎng)。搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場(chǎng)。

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(lái)實(shí)現(xiàn)了更大的無(wú)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(diǎn)可實(shí)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(jì)，2023年GaN RF在基站中的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.2億美元。年復(fù)合增長(zhǎng)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(huì)大為增加，因此相比3G。4G時(shí)代，5G時(shí)代的射頻器件將會(huì)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(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶(hù)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(lái)，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(méi)有的物質(zhì)。需要靠人工合成?？善淙斯ず铣呻y度非常高。在10000個(gè)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(jià)就高達(dá)每片萬(wàn)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(jià)格讓氮化鎵這一優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料遲遲無(wú)法用于大眾消費(fèi)市場(chǎng)，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(hù)的充電感受，更是一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)價(jià)格戰(zhàn)。在小米65W氮化鎵充電器發(fā)布之初。市場(chǎng)上65W氮化鎵充電器的零售價(jià)基本都處于200元或200元以上，小米打出149元的售價(jià)加上其在終端手機(jī)用產(chǎn)市場(chǎng)的巨大影響力，讓整個(gè)氮化鎵充電器市場(chǎng)感到壓力的同時(shí)，也有效降低了消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)門(mén)檻。

實(shí)際上，相對(duì)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(hù)業(yè)鏈的優(yōu)勢(shì)。更實(shí)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(chǎng)。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(jià)從原來(lái)的198元調(diào)整為168元。降價(jià)幅度達(dá)到30元：品勝65W氮化鎵充電器售價(jià)從169元調(diào)為145元，降價(jià)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(jià)措施，共同推動(dòng)氮化鎵充電器的落地，

繞不開(kāi)的快充協(xié)議

對(duì)于手機(jī)用戶(hù)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(diǎn)需要消費(fèi)者注意。當(dāng)然，隨著其他私有的快充協(xié)議逐漸開(kāi)放授權(quán)，相關(guān)的充電頭廠商也會(huì)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(kāi)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(shí)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(mǎn)電勗快的是OPPO的Reno ACE，28分鐘就可以充滿(mǎn)4000mAh電池，不過(guò)這是去年的手機(jī)了。而ReaIme表示X50 Pro從0到100%充滿(mǎn)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(shí)間。在65W'陜充手機(jī)中，黑鯊m的4720mAh電池最快充電時(shí)間是38分鐘，OPPO的Find X2 Pro配備了4260mAh電池，也是38分鐘充滿(mǎn)。相對(duì)于氮化鎵對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的改變，相信大眾消費(fèi)者更好奇和尖心的是自己的手機(jī)多快能充滿(mǎn)。而在這樣的消費(fèi)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(duì)GaN基深紫外UVC LED需求高漲。且長(zhǎng)期來(lái)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(zhǎng)期市場(chǎng)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(chǎng)報(bào)告》顯示，2018年全球UV LED市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2.99億美金，預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)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(lái)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(zhǎng)，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(shì)，深紫外LED是公認(rèn)的未來(lái)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(mén)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(xiě)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(lái)，氮化鎵已成為射頻功率應(yīng)用中LDMOS和GaAs的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(shí)，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(lái)。5G智能手機(jī)的屏幕越來(lái)越大，與之對(duì)應(yīng)的是手機(jī)續(xù)航的需求越來(lái)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(lái)的充電時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。