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华为小米都在追赶的半导体材料“风口”:氮化镓何以成为行业新宠?
发布时间:2020-08-03 来源:前瞻网 作者:前瞻网 浏览次数:2770次

最近几年,手机行业的“军备竞赛”日益激烈,每家厂商都在不断加大研发力度,希望自家产品能在性能上尽可能长时间地压倒对手,消费者几乎每隔几个月就能在新手机上看到全新的技术应用或是旧功能得到革新。  在诸多技术之中,充电技术是这场竞赛的核心“军备”。从华为的40W快充开始,小米、OPPO、vivo等厂商陆续推出44W、55W、65W乃至最近的125W快充,用户的生活方式逐渐改变。不再需要向过去那样整晚给充电,每天只需洗漱时充电一小会,就能满足大半天的使用,生活方便了许多。  但与此同时,随着充电功率的上升,里面的散热组件及滤波、保险、电容等器件越来越多,充电器的体积也越来越大。过去可以揣在口袋里的充电头,在65W快充到来的时代,已经有了向砖头靠拢的趋势。  在未来,阻碍快充普及的可能不再是充电发热、自燃之类的安全风险,而是充电头巨大的体积和沉甸甸的重量。充电技术发展遇到了短暂的瓶颈。  不过,这个瓶颈很快被突破了。  风口上的氮化镓  去年8月份,爱否联合倍思发布了国内市场第1款65W氮化镓充电器,它的体积只有其他厂商65W充电器的一半左右,顿时引发了关注。自此,“氮化镓(GaN)”一词开始成为了数码圈的热词。很快,OPPO跟进推出自家的65W氮化镓充电器,许多第三方厂商也推出相应产品。  今年1月,小米也推出这一产品。通过有巨大网络影响力的雷军不遗余力地宣传,氮化镓的热度再度拔高。  接着,华为在基站中弃用美国芯片,转而使用“备胎”氮化镓射频PA的消息传出,更是让这种新贵材料的热点不再限于充电器行业。人们对整个氮化镓半导体行业的关注都开始上升。  事实上,说氮化镓材料是“新贵”不太贴切,事实上,早在30年前,这种材料就已经被用在半导体上。但因为种种原因,它在过去并没得到广泛使用,大多数人对其也是知之甚少。  简单说,半导体行业发展近百年,已经经历了3代半导体晶圆材料的革新。第1代半导体是锗和硅;第2代半导体以砷化镓、磷化铟为代表;氮化镓则属于第3代半导体材料,与其同类的还有碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等。  其中,氮化镓和碳化硅是目前研究十分火热的第3代半导体材料,被称为第3代半导体的“双子星”。  那么,比起第1代和第2代半导体,第3代半导体的进步在哪里呢?第3代半导体又称作“宽禁带半导体”,顾名思义,其核心优势就在“宽禁带”上。  核心优势——禁带  先简单科普一下“禁带”的概念。  初中化学内容:一个物体能否导电以及导电能力强不强,取决于其能否产生自由流动的电子以及产生自由电子的能力。金属类元素的原子核对外层电子的束缚能力较弱,因此表现为良导体;非金属元素原子核对于外层电子束缚能力强,因此外层电子不能自由流动,成为了绝缘体。  而半导体在二者之间——它本身不导电,但是在一定的状况下,比如掺进杂质后,就可以导电。  在固体中,原子外的电子会分成不同能级,当原子间相互作用导致能级移动时,就产生了一组差别很小的能级,也就是能带。其中,电子从最低能级开始依次向上填充,被填满的能带称为满带,满带中能量高的一条称为价带。由于已经挤满了电子,可以认为价带中的电子是不导电的。  从价带继续往上,就是没有被填满的能带,由于这个能带几乎是空的,所以电子可以自由移动,这个能带就是导带。在导带和价带之间的就是禁带。换句话说,禁带就是电子从价带“突破”到导带所需的能量。  简单打个比方,满带就像半导体内一条挤满电子的公路A,导带则是旁边是一条空荡荡的公路B,禁带是公路A和公路B之间的沟,价带则是公路A上最靠近公路B的车道。  如果沟太宽,电子没办法从公路A跳到公路B上去,交通便陷入彻底瘫痪,这就是绝缘体;如果沟很窄,电子很容易走上公路B,交通就会立刻顺畅起来,这就是金属。半导体就是在公路A和公路B之间搭了一座升降桥,实现电子可控地移动。  从这里我们可以知道,半导体的禁带不能太窄,否则只需很小的能量就能让所有电子自由移动。半导体就变成了导体,上面的电流不再可控。  更关键的是,这种情况是不可逆的,所有电子成为自由电子后,化学键就破裂了,材料本身发生了变性。一旦化学键破裂,就会和环境中的其他原子,例如氧,形成新的化学键,就不再是晶体了。  反过来,禁带宽的好处有很多。比如和前面说的相反,禁带越宽,意味着这个材料本身越难成为导体,可以承受的电压也就越高,用它制作半导体器件也就能承受更高的功率和温度。  进而,相对于原来的硅器件,同样电压等级下,宽禁带半导体的die(从晶圆上切割下的芯片)可以做得更小,从而让干扰半导体元件性能的寄生参数更小,发热更小。寄生参数小则带来导通速度快、反向恢复电流小、开关损耗小、承受温度高等优势。  从具体指标上可以看出,第3代半导体几乎全面靠前硅和砷化镓:  从4000万到20亿美金的市场  在氮化镓和碳化硅中,碳化硅热导率较高,使得其在高功率应用中占据统治地位;由于氮化镓具有更高的电子迁移率,具有更高的开关速度,在高频率应用领域,氮化镓具备优势。  今年4月20日,国家发改委宣布“新基建”的范围,第3代半导体赫然在列。  在第3代半导体中,碳化硅相对氮化镓发展更早一些,技术成熟度也更高一些,其优势在高温和1200V以上的大电力领域,包括电力、高铁、电动车、工业电机等。不过,近年来氮化镓适合的高频小电力领域,例如通信基站、毫米波等产业开始兴起,碳化硅未来市场广大。  当然,在消费者领域,和氮化镓耐高压、高温、大电流特性最匹配的,无疑就是用在快充上了。其功率密度更大,因此功率密度/面积远超硅基,此外由于使用氮化镓芯片后还减少了周边的其他元件的使用,电容,电感,线圈等被动件比硅基方案少的多,进一步缩小的体积。  小米1月发布的65W快充,尺寸仅为56.3mm x 30.8mm x 30.8mm,体积比小米笔记本标配的65W适配器小了约48%,约为苹果61W快充充电器的三分之一。  从总体产业格局看,氮化镓产业链和传统半导体产业类似,包括单晶衬底制造氮化镓材料外延氮化镓器件设计氮化镓器件制造这4个环节。各环节相关企业来看,基本以欧美企业为主,中国企业已经有所涉足。  氮化镓器件主要分成射频器件和功率器件以及光电器件三大方面。氮化镓光电器件已经是成熟市场,规模也不大,为了这个领域的发展将主要集中在射频器件和功率器件上。  根据Yole的统计,2018年,氮化镓功率和射频相加仅仅4000万美金的市场规模,但业内认为,随着5G基站的建设高潮,汽车电子、激光雷达以及消费电子的快速增长,无论是功率领域还是射频领域,氮化镓器件市场未来都会出现较大增长。  Yole预测,氮化镓射频器件市场预计到2024年成长至20亿美元;同时,氮化镓功率器件市场规模预计到2022年将增长到4.6亿美元。

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