热点事件回顾:GaN 工艺进入消费市场


2020 年 2 月 13 日,小米在年度旗舰手机小米 10 发布会上同步发布了一款 Type-C 65W 快速充电器,单独售价 149 元。这款充电器采用了 GaN(氮化镓)工艺,具有效率高、发热低、功率高、体积小、重量轻等优点。


关于这款充电器,小米董事长兼 CEO 雷军如是说,“我以前是码农,当时每天都背着笔记本电脑,最恨带“铁疙瘩”充电器,又丑又大又重。看看今天的 GaN 充电器,唇膏大小,实在太方便。”我想这可能是最应市场需求的一句话了,不仅是码农,出差常客也会很喜欢吧。


但作为一名攻城狮,脑海中很自然地浮现出三个问题:


问题一:这个采用 GaN 工艺的充电器和我们平常使用的充电器到底有多大区别?


于是我通过搜索,制作了这张对比表,供和我有一样疑问的同学更直观地看出对比度。

 

 
问题二:这个 GaN 工艺具体应用点指的是什么?是外壳?是控制 IC?是功率 IC?还是整个充电器模块?


通过进一步的信息检索,我了解到了这款小米充电器之所以被称为 GaN 快速充电器,主要是因为其内部配备了来自纳微半导体的两款 NV6115、NV6117 GaNFast 功率 IC,这两款 IC 针对高频软开关拓扑进行了优化,同时又将集成场效应晶体管、驱动器以及逻辑电路进行了单片集成,因此具有集成度高、体积小、转换效率高且非常易于系统设计使用的特点。


 
NV6117 | 信息源:Navitas


问题三:大部分消费者都有一种首次接触 GaN 概念的感觉,那么发布基于 GaN 工艺的快充产品,小米是第一个吃螃蟹的人吗?


非也,就快充产品而言,去年 11 月,OPPO 就曾在“超玩大会”上发布过一款 GaN 充电器,采用的是本土厂商富满电子的充电技术;放眼国外,Anker、Ravpower 和 Hyperjuice 等都推出过 GaN 快速充电器。此外,据小米 GaN 方案商纳微半导体方面表示,继小米之后,今年陆续几家与小米同等规模的厂商,将发布 GaN 电源适配器。


如果跳出快充领域,那就更加显著了,举个典型“栗子”:国外全 GaN 车都造出来了。在 2019 年 10 月的东京车展上,由日本名古屋大学未来材料与系统研究所和丰田先进电力电子研究部门共同开发,GaN 在电动车领域的多种应用被展示了出来,比如 GaN 牵引逆变器、GaN DC-DC 转换器、GaN 车载充电器和 GaN LED 照明等。据可靠消息称,在使用了 GaN 工艺后,逆变器效率提高了 20%,DC-DC 转换器系统尺寸减小了 75%,夜间驾驶时照明效果更佳,LED 寿命更长。


什么是 GaN 工艺?


 
信息源:eastday


发布会上,小米董事长兼 CEO 雷军表示:“氮化镓是一种新型半导体材料,做出的充电器体积特别小,充电效率却特别高。”。


那么 GaN 到底是一种什么样的神奇工艺呢?下面我们一起来了解一下吧。


GaN是英文 Gallium nitride 的缩写,是一种化合物的分子式,中文名称氮化镓。它的结构类似纤锌矿,熔点约为 1700℃,硬度很高,能隙很宽,高达 3.4 电子伏特,是一种直接能隙的半导体,起初用于发光二极管中,后应用领域被拓宽至高功率、高速的光电元件和功率元器件中。


此外,在半导体材料中,我们一般将硅(Si)、锗(Ge)等基础性传统半导体视为第一代半导体材料,砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等半导体视为第二代半导体材料,而将氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带半导体视为第三代半导体材料。采用不同的半导体材料制备的器件会由于材料物理、化学和电学特性的不同而呈现不同的性能特色。


不过我觉得上面的描述都不够触及心底,而我最欣赏的则是下面这段解释:“第一代半导体是硅,主要解决数据运算、存储的问题;第二代半导体是以砷化镓为代表,它被应用到于光纤通讯,主要解决数据传输的问题;第三代半导体以氮化镓为代表,它在电和光的转化方面性能突出,在微波信号传输方面的效率更高,所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。” 它出自苏州纳维董事长徐科之口。


GaN 工艺好在哪里?相对的,缺点又有哪些?


首先,无论是优点还是缺点都是在对比之下才会凸显出来,因此我们要知道 GaN 的优点,就要与第一代、第二代半导体材料和第三代除 GaN 外的其他半导体材料进行对比。其次,我们要明确对比参数有哪些,这里就要厘清对于半导体材料而言,哪些性能参数是最主要的。最后分析这些参数,归纳特点的具体表现形式。


下面我们一一来解答,通过前一章节的介绍,我们已经对第一代、第二代半导体材料有了初步印象,那我们就选择其中最典型的 Si、GaAs、SiC 与 GaN 进行对比,对比参数选择带隙能量、临界击穿电场、电子迁移率、饱和漂移速度和导热率,具体数值如下表所示:


 
主要参数对比 | 信息源:cnki


透过表中的数值,我们了解到对比第一代 Si 材料,GaN 每一项性能都要来得更好;对比第二代 GaAs 材料,GaN 具有带隙能量高、临界击穿电场高、饱和漂移速度高和导热率高的优势;对比第三代 SiC 材料,GaN 具有电子迁移率高和饱和漂移速度高的优势。


此外,对比前两代半导体材料,GaN 还具有工作温度高、低热阻、抗辐射能力强、硬度高等优点。


接下来,我们就要进一步了解特点的具体表现形式了,这样我们才能知道这些参数的背后意味着什么?我们一点一点来:


    带隙能量:带隙能量越高,载流子速度就越快,导通电阻就越小;

 
    临界击穿电场:临界击穿电场越高,耐压水平越高;


    电子迁移率:电子迁移率越高,开关速度越快;


    饱和漂移速度:电子饱和漂移速度越高,高频特性就越好,越适合高频开关场合;


    导热率:导热率越高,热阻就越小,就更适于高温环境,同时还可以简化冷却系统;


    抗辐射能力:行辐射能力强,适合在卫星、太空探测和核反应堆等辐射环境中的应用;


    硬度:硬度高,更便于元器件的大功率集成。


 
信息源:cnki


补充理解:禁带宽度越大,击穿电场强度越高,就意味着在耐压相同的条件下,裸片体积就越小,于是寄生电容就相应变小了,这一点也有助于开关速度的提高。


此外,对于同样是第三代半导体材料的 SiC,这里不作详细描述,如想了解更多,可给我们留言,我们将会另开一文作详细介绍。但在这里还是要明确一点,由于 SiC 的导热率和耐压水平更佳,因此常用在高压大电流的场合;而相对的,GaN 的电子迁移率更高,开关过程更快,因此常用于高频开关场合;假如是高频大功率场合,那么鉴于 GaN 具有比 SiC 更好的高频性能和更高的功率品质因子,应用前景会相对好一些。


说了这么多优点,也该说说缺点了。技术层面,GaN 高浓度的 p 型掺杂时容易出现晶体质量变差和外延表面变差的现象,到今天为止,GaN 仍主要使用 6 英寸及以下晶圆生产,因此对于 GaN 材料生长和器件工艺来说难度将会大大高于 Si 材料;市场层面,原材料昂贵是 GaN 的一大缺点(SiC 更贵),也是限制其消费市场普及的一大制约因素。


透过热点事件:GaN 工艺的拐点到了?


自从小米发布了这款“GaN 65W 快速充电器”,“GaN 工艺的拐点到了”的声音就一直不断。大家的依据是:像小米这样的“价格屠夫”都开始推 GaN 工艺的消费品了,一方面印证了 GaN 工艺的成熟化,另一方面告诉我们 GaN 芯片的设计、制造成本已经降到了消费者可以接受的程度,而这个利惠会随着 GaN 产量的扩大而不断加大。


据市场研究机构 Yole Développement 预测,从 2018 年至 2024 年,GaN 功率器件的年复合增长率将达到 85%,到 2024 年,其市场价值将超过 3.5 亿美元;乐观情况下,将超过 7.5 亿美元。


如今 GaN 功率器件的“大火”,代表了 GaN 功率器件进入高容量智能手机市场的第一个里程碑。而像小米这样的移动设备厂商,很有可能成为 GaN 电源市场真正的游戏规则改变者。


不过,就我个人而言,我对这样的观点持保留意见。一方面,我完全相信小米在手机电源快充市场的带动力;另一方面,而相比移动、可穿戴设备快充市场,我认为 GaN 的普及可能还要更多地借助于汽车电子和 5G 市场的进一步渗透。对于汽车电子市场来说,期待 IGBT 的竞争者久矣,是一块处处能施展 GaN 优势的宝地,前面章节中所说的全 GaN 车的推出已可见一斑;对于 5G 市场来说,基站的建设对 GaN 价格的敏感度相对较低,而其宽带、高频特性、高转换率和高导热率却是刚需;此外 5G 移动设备中射频功率放大器等器件对 GaN 优良的高频特性也是觊觎已久。


 
基站射频 PA 技术路线比较 | 信息源:wind


面对机遇与挑战,本土芯片厂商都准备好了吗?


对于 GaN 的布局,可以说是全球都比较晚,量产实例不多,而中国就更晚了。如果将 GaN 产业从产业链的角度进行分类,那么大致可以分为 GaN 材料厂商、GaN 元器件模组设计制造商和 GaN 终端设备系统商。下面我们按照顺序一一展开介绍:


    GaN 材料厂商(上游)


就 GaN 材料市场而言,据 RESEARCH AND MARKETS 预测,2022 年全球 GaN 衬底市场规模将达到 64 亿元,2017 至 2022 年的年复合增长率为 34%。


从技术的角度来看 GaN 材料,我们可以分为衬底和外延两大部分,目前这两个技术领域的领头羊都是欧美日,比如德国世创、日本信越化学、日本胜高是氮化镓硅基衬底的主要供应商,日本电信公司研究所、英国 IQE 和比利时的 EpiGaN 则是硅基氮化镓外延片的主要供应商。相对的,我国对于 GaN 产业的布局较晚,再加上技术门槛较高,直至 2018 年才有了国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》。不过这些年,那些国产科技巨头们也不是那么闲着,一部分终端厂商选择以投资的形式提前布局,比如本文开头所说的小米就是,早在几年前就已入股投资纳微半导体;另一部分材料原厂则选择自主创新,如今也有所成绩,比如 GaN 衬底厂商苏州纳维、东莞中镓,GaN 外延厂商苏州晶湛、聚能晶源等。


苏州纳维


 
信息源:nanowin


苏州纳维科技有限公司成立于 2007 年 5 月,公司以中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所为技术依托,专注于从事氮化镓衬底晶片及相关设备的研发和产业化,提供各类氮化镓材料,目前公司拥有核心技术专利近二十项,是中国首家氮化镓衬底晶片供应商。


东莞中镓


 
信息源:sinonitride


东莞市中镓半导体科技有限公司成立于 2009 年 1 月,主营产品包括:氮化镓(GaN)半导体衬底材料,GaN/AI2O3 复合衬底、GaN 单晶衬底及氢化物气相外延设备(HVPE)等,主要应用于 MiniLED& MicroLED、车灯、激光器、功率器件、射频器件。目前已建成国内首家专业的氮化镓(GaN)衬底材料生产线,制备出厚度达 1100 微米的自支撑 GaN 衬底,并能够稳定生产。


苏州晶湛


 
信息源:enkris


苏州晶湛半导体有限公司成立于 2012 年 3 月,从事第三代半导体关键材料——氮化镓(GaN)外延材料的研发和产业化。苏州晶湛是全球首家发布并其商业化的 8 英寸硅基氮化镓产品,经下游客户验证,该 GaN 材料具备全球领先的技术指标和卓越的性能,并填补了国内乃至世界氮化镓产业的空白,目前已拥有全球超过 150 家的著名半导体公司、研究院所客户。


聚能晶源


 
信息源:genettice


聚能晶源(青岛)半导体材料有限公司成立于 2018 年 5 月,是一家从事第三代半导体氮化镓从材料生长到器件设计、制造的解决方案商。去年 9 月,公司发布了多系列 6-8 英寸 GaN 外延晶圆产品,包括 8 英寸 AlGaN/GaN-on-Si 外延晶圆、8 英寸 P-cap AlGaN/GaN-on-Si 外延晶圆等。在硅基氮化镓之外,聚能晶源还拥有 AlGaN/GaN-on-SiC 外延晶圆产品线,可满足客户在碳化硅基氮化镓外延材料方面的需求。


    GaN 元器件模组设计制造商(中游)


就 GaN 元器件、模组市场而言,据调研机构 RESEARCH AND MARKETS 预测,氮化镓器件市场预计至 2023 年将增长至 224.7 亿美元。而占据市场主流位置的依然是欧美日企业,比如 CREE、富士通、英飞凌、住友电工、纳微半导体、NXP、MACOM、IR、EPC 等等。同样的,在元器件和模组层面,我们认识到差距的客观存在,因此本土企业也在加速布局,目前在 GaN 元器件设计制造领域已有闻泰科技、士兰微、华润微、扬杰科技、苏州能讯高能、海特高新、能华微电子、富满电子等,代工领域有三安光电、海威华芯等。由于篇幅原因,下面选几个作简要介绍。


闻泰科技


 
信息源:nexperia


闻泰科技收购的安世半导体是全球功率半导体器材龙头,已推出了用于工业电源、逆变器、转换器、汽车牵引逆变器和车载充电器和转换器等场景的氮化镓效应晶体管(GanFET)。目前,其车载 GaN 已经量产,全球最优质的氮化镓供应商之一。


士兰微

 

信息源:Silan


杭州士兰微电子股份有限公司是一家专业从事集成电路以及半导体微电子相关产品的设计、生产与销售的高新技术企业。其旗下的 4/6 英寸兼容先进化合物半导体器件生产线项目主体厂房即将进入竣工验收阶段,公司的氮化镓和砷化镓芯片也都已通线点亮。该生产线主要产品包括下一代光通讯模块芯片、5G 与射频相关模块、高端 LED 芯片等产品。


苏州能讯高能


 
信息源:dynax-semi


苏州能讯高能半导体有限公司是由海外归国人员创办的高新技术企业,作为中国氮化镓产业领军企业,能讯半导体采用了整合设计与制造(IDM)的商业模式,自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术,实现了第三代半导体氮化镓高能效功率半导体材料与器件的研发与产业化,产品应用涵括了 5G 移动通讯、宽频带通信等射频微波领域和工业控制、电源、电动汽车等电力电子领域等两大领域。


海特高新


 
信息源:hiwafer


四川海特高新技术股份有限公司是一家主要从事航空机载设备的检测、维护、修理及支线飞机、直升机及公务机中小型发动机的维修,航空技术及软件开发,航空机载设备及航空测试设备的研制和销售业务的公司。现已建成大陆首条第二代 / 第三代半导体产线,部分产品现已开端量产,其旗下控股子公司海威华芯的 GaN 工艺已成功突破 6 英寸 GaN 晶圆键合技术。


能华微电子


 
信息源:天眼查


江苏能华微电子的"科能芯"系列由在氮化镓功率外延片、器件设计、工艺流程及封装技术领域有着卓越专业贡献一批同路人开创的,公司主要从事氮化镓功率器件系统的研发、生产以及制造。


富满电子


 
信息源:superchip


深圳市富满电子集团股份有限公司创立于 2001 年,是一家从事高性能模拟及数模混合集成电路设计研发、封装、测试和销售的国家级高新技术企业。目前拥有电源管理、LED 驱动、MOSFET 等涉及消费领域 IC 产品四百余种,曾与 OPPO 合作研发 GaN 技术的充电器。


三安光电


 
信息源:sanan-e


三安光电是传统照明 LED 芯片巨头,是一家专门从事化合物半导体制造的代工厂,服务于射频、毫米波、功率电子和光学市场,具备 衬底材料、外延生长以及芯片制造的产业整合能力。2019 年公司实现了深紫外 LED 芯片量产,其 Mini/Micro LED 研发基地正在建设中,建成后,该基地将用于 GaN 和 GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 4K 显示器的研发。而目前,据三安光电表示,公司集成电路氮化镓产品正处在产能扩张状态。


    GaN 终端设备系统商(下游)


对于 GaN 终端这各板块来说,太宽泛了。众所周知,GaN 的应用领域主要包括三大块,分别是:micro-LED、GaN Power(GaN 功率器件) 和 GaN RF(GaN 射频器件),而这三个方向上的设备、系统商都有可能会采用 GaN 元器件或模组。


就 micro-LED 领域而言,国外在应用领域布局已比较成熟,包括 Apple、Sony 与 Lumiode 等,而国内产业还停留在上游和中游,不过随着物联网和 5G 的普及,相信其渗透率会不断上升。


就 GaN Power 领域而言,下游主要有汽车电子厂商、智能移动设备厂商等,比如汽车领域的 Toyota Motor,电源快充领域的小米、OPPO、三星、ANKER、RAVpower、AUKEY、ELIXAGE 等,未来将会遍地开花。
就 GaN RF 领域而言,下游主要有 5G 通信设备商、传感器厂商、国防雷达和通信设备商等,比如 5G 通信领域的华为、三星。


写在最后


GaN 的时代即将带来,虽然本土产业链和国外在技术、知识产权和产品成熟度上还存在差距,但面对这块大蛋糕,我们已有上、中游的强有力支撑,我们还将拥有下游发展最宝贵的市场需求,因此我想说:这次,中国已经准备好了。 


《小彩蛋》


有网友担心:充电器功率这么高,电池能否顶得住?会加剧安全事件的发生概率吗?


其实,快充的方式无非就是三种,第一种保持电压不变,提高电流;第二种保持电流不变,提高电压;第三种电流、电压都提高,但具体提高多少需要由厂商自己来作一个平衡。当我们采用原装的快充设备对电池进行充电时,阻抗匹配和电流、电压的控制都是可以得到保障的,这也是出厂测试后的结果,此时不会加剧电池安全事件的发生概率。但假设你使用一个山寨充电器对手边随意一个接口匹配的设备进行充电,那就不能保证了。

 

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