性能强过碳化硅！第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码

《科创板日报》（上海，研究员 何律衡）讯， 近期，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波 科技 股回暖的热潮，引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时，在该领域走在全球前列的日本，却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

在此基础上，第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构，且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点，被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中，碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛，前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，已在新能源 汽车 的电源管理中有所应用，后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等，在近十年才被应用于功率半导体方向，继而引发全球研发的热潮。

研究表明，氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件；击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出，氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用，其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动 汽车 和光伏太阳能系统。

不过，氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道，今年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄，将用于制造更小、更高效的电子系统，用在电动 汽车 、机车和飞机上，用于控制和转换电子，同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外，从全球范围来看，日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家，同样具备竞争优势。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和 汽车 供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上，日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手，”该行业的一位专家向媒体表示，“一旦氧化镓成功商业化，将适用于许多领域，因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国，尽管起步较晚，但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道，在去年举行的全国 科技 活动周上，北京镓族 科技 公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外，中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶，其宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

豪威科技发布了 OV64B图像传感器，据悉，这是业内目前仅有的一款 0.7 微米小像素，分辨率高达 6400 万的图像传感器，首次以 1/2光学尺寸实现了 6400 万像素分辨率。

使高端主流智能手机设计师能设计出更为纤薄，并搭载 6400 万像素高分辨率摄像头的手机。

相关信息：

手机，全称为移动电话或无线电话，通常称为手机，原本只是一种通讯工具，早期又有“大哥大”的俗称 ，是可以在较广范围内使用的便携式电话终端，最早是由美国贝尔实验室在1940年制造的战地移动电话机发展而来。

1958年，苏联工程师列昂尼德.库普里扬诺维奇发明了ЛК-1型移动电话，1973年，美国摩托罗拉工程师马丁·库帕发明了世界上第一部商业化手机。历经2G时代，3G时代，迄今为止已发展至4G时代了，而5G时代也紧随其后，国内已经出现5G的商用。

手机分为智能手机（Smart phone）   和非智能手机（Feature phone），一般智能手机的性能比非智能手机要好，但是非智能手机比智能手机性能稳定，大多数非智能手机和智能手机使用英国ARM公司架构的CPU。

[硬核买手]氮化镓（GaN）拥有极高的稳定性，它的熔点约为1700℃。作为目前是最优秀的半导体材料之一，GaN用作整流管能降低开关损耗和驱动损耗，提升开关频率，附带地降低废热的产生。这些特性让氮化镓应用在电源上有很好的发挥，降低元器件的体积同时能提高效率。

很多人都会抱怨：笔记本、手机等设备充电器不通用的问题，导致出差、 旅游 都要带上大量的充电器，不少笔记本更是要带上板砖似的充电电源。

难道真的没有小巧一点的、通用性强一点的充电器么？其实还是因为穷的，使用黑 科技 材料氮化镓得ANKER GaN充电器虽然比普通得PD充电器价格高了一倍，但是体积却小了40%。

为什么能有这么大的改变呢？氮化镓又是一个怎么样的黑 科技 呢？

黑 科技 半导体氮化镓的来历和优势/劣势

其实早在2000年左右，就有研究人员投入到射频氮化镓技术的研究，最开始氮化镓器件成本高、产量不高，氮化镓器件主要应用于军事和航天领域，雷达和电子战系统。如今在点对点军用通信无线电中就有使用氮化镓工艺的放大器，未来手机是否也会获得军事领域的技术下放虽然还不好说。但氮化镓器件确实开始走向消费领域了，如今市场上已经有了不少已量产的氮化镓充电器。

氮化镓被业界称为第三代半导体材料，被应用到不同行业的产品上，应用范围包括半导体照明、激光器、射频领域等，应用在电源类产品上可以在超小的体积上实现大功率输出，改变行业设计制造方案、改变消费者使用习惯。

氮化镓的熔点和饱和蒸气压相当高，因此在自然界无法以单晶体的形式形成，目前常用的制备方法为薄膜法和溶胶凝胶法。

目前经过测试发现，用氮化镓材料代替传统的MOSFET后，电源的驱动损耗、开关损耗会更小，死区也缩小（缩短优化开关转换时的死区时间）。而更高的电子迁移率使得反向恢复时间极短，也就不存在反向损耗。

5G是今年最热门的话题，而氮化镓恰好在5G技术上能发挥巨大作用，这种材料非常适合提供毫米波领域所需的高频率和宽带宽，加上低内阻低发热量、适合在高温环境下工作的特点，GaN材料将应用于各种被动散热的户外电子设备以及 汽车 上。

不过虽然氮化镓的优点多，物理性能优异，但它不能应用在比较高的电压环境下。

而且成本也会更高一些，与现今的硅器件相比，氮化镓的导通电阻要低3个数量级，击穿电场是硅器件的10倍，带来的就是更高的转换效率和工作频率，并降低元器件体积。另外氮化镓可以在严酷的工作环境下保持正常的性能，不过目前氮化镓的成本还是太高了。

所以目前氮化镓比较成熟的应用是在小型的充电器上。这就是我们今天要说到的 ”ANKERPowerPort Atom PD1“GaN充电器。

目前 市面上的各种快充协议

PD快充协议有大一统的趋势

从2017年开始，智能设备的性能开始大幅度攀升，相对应的设备对电池的容量有了更高的要求。但大电池充电就成为了一个难题，所以现在有了众多的快充标准。除了大家一般使用的QC快充、还有各家智能手机厂商开发的各种快充私协议，前不久vivo更是推出了120W快充。

不过目前最新的QC4.0也仅仅只支持28W的功率，于是追求充电更快的路途上，手机厂商也不断推出并升级自家的快充协议，如一加的WARP闪充（30W）、华为的Super Change（40W）、VOOC闪充（50W），vivo Super FlashCharge（120W）。

但是没有哪一家能打通全平台，实现一个充电器就能对所有的设备都能快速充电。市面上的快充协议“百家争鸣，各自为政”，即使有兼容也不能达到最理想的充电速率。

“协议兼容性目前的确是整个快充行业发展的最大技术壁垒，如果能够打通快充协议不兼容的问题，整个行业的发展能够加速前行。”

好在，基于USB type C接口的PD协议有大一统电子数码充电协议的趋势，支持笔记本电脑、平板电脑、手机、 游戏 机等设备快速充电，目前最新的PD 3.0标准最大功率可以达到100W。

ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器支持DCP协议，支持5V/3A、9V/3A、15V/2A、20V/1.5A四个USB PD输出档位最高输出30W，PD快充版本为3.0。

ANKER GaN充电器：小体积实现更高功率

ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器在设计上无论是在包装还是产品本身，都是充满了十足的“ANKER”风格。蓝白的搭配简约 时尚 很有辨识度，第一眼看见就能准确知道是ANKER产品。充电器的外形体积整体圆润十分小巧，手感也十分不错。

使用氮化镓GaN功率器件让ANKER PowerPort Atom PD 1在体积上十分有优势，与市面上多款热门PD充电器进行对比之，无论是重量还是体积ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器都位列前茅。

性能上，ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器支持5V、9V、15V、20V PD输出，可以满足大部分产品设备，它的输出最高可达30W功率，在我们实际的兼容性测试中，无论是充手机、还是笔记本，它都能胜任，性能着实不错。

鹅暖石丰满造型

ANKER PowerPort Atom PD 1 ANKER GaN充电器沿用了家族饱满丰润的设计，正面镜面与侧面哑光细节互为补充简约，犹如一块软润的鹅暖石。

一个蓝色舌片的USB-C输出口上印刷这“PD”字样标识，PD目前通用性最强也是未来数年的发展方向的USB PD快速充电标准。

小体积大功率

（ 从左至右依次是 “ANKER GaN充电器 30W” “苹果原装18W快充” “联想ThinkPlus 65W快充” “苹果笔记本充电器”）

GaN场效应管小体积低内阻高性能的优点在充电器上体现的淋漓尽致，而且还完美避免了不耐高压的缺陷。

ANKER PowerPort Atom PD 1GaN充电器实现30W的功率，其体积要比苹果的18W快充都小一圈，与苹果手机自带的5W小充电器相差不大，携带出去旅行还是相当方便的。

30W功率只有iPad刚刚好

30W的功率见仁见智吧，因为如果需要给笔记本充电的话至少需要使用65W的供电，而手机目前最多也只能18W的PD快充。目前使用30W PD供电的也就只有iPad Pro了，也就是说你要是有个iPad Pro的话，买这款充电器可能比较实用。

此前测试iPad Pro最大支持32~35W PD快充。在我们使用ANKER GaN充电器给iPad Pro充电时，根据POWER·Z的数据显示，可以达到26~27W的充电功率。整个充电过程发热量比普通的充电器要低一些。

在兼容性上，支持iPhone X/XS/XS MAX/XR、华为P10/P20/P20 Pro/Mate 9/Mate10、xiaomi 8/9、魅族PRO 5、三星S8以上手机的PD快充。

非PD快充的设备大多数也能获得标准的10W充电功率。

笔记本和平板上，只要是支持PD协议的笔记本都能获得接近30W的充电功率，例如MacBook、小米笔记本Air、华为MateBook等，平板电脑的支持上iPad Pro因为支持PD充电也可以获得27W左右的供电支持。不过需要注意即使是支持PD充电协议的笔记本，因为功耗的原因对电源功率输入要求比较高，一般需要60W以上的充电器才能正常使用+充电，使用ANKER GaN充电器给笔记本充电话可能会遭遇笔记本CPU降频性能减弱、实用笔记本时虽然插电但无法给笔记本电池充电的情况出现。

总结

ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN氮化镓充电器最开始发布的时候可谓吸引了全球眼球，造型也比较小巧可爱，在小体积的情况下实现了更高功率的输出。如果你有支持30W充电的设备比如iPad Pro，就更好了。

但如果你想使用ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器给笔记本充电话可能会遭遇笔记本CPU降频性能减弱、实用笔记本时虽然插电但无法给笔记本电池充电的情况出现。所以我目前使用的是ThinkPlus 65W充电器，出差的话iPhone支持18W PD快充，笔记本需要65W充电，移动电源支持45W PD快充，ThinkPlus电源是我目前比较好的解决方案。

而且从价格上来说，ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器官方定价188元，价格上来说还是比较高的。建议观望，不过更高高功率的60W氮化镓充电器却没有了体积上的优势，而且价格高，所以如果你不差钱想尝鲜，那也可以上上手体验一下。

优点: 1、同体积下实现更高的充电功率，体积小易携带。

2、充电时发热量小，热损耗小转化率更高。

3、30W PD快充，支持新款iPhone、华为P20/P10/Mate 10/Mate9、xiaomi 9/8、iPad Pro、三星S系列等设备的PD充电，支持iPad air 2.4A充电。

缺点:

1、价格贵，188元的价格，一个65W ThinkPlus的优惠价也不过150元，体积也是ANKER GaN氮化镓充电器两倍不到。

2、非PD设备最高只支持10W左右的功率充电。

3、30W功率不上不下，笔记本一般需要65W充电功率，30W功率过低可能出现笔记本CPU降频或者笔记本在使用时无法给电池进行充电。但充手机的话也只能支持18W，这体积和18W PD充电头相比的话优势又不明显了。 详细参数：

充电器名称：PowerPort Atom PD 1

型号：A2017

输入：100-240V~1.2A 50~60Hz

输出：5V/3A、9V/3A、15V/2A、20V/1.5A

该充电器通过CCC认证。

---