请问，氮化镓可以用来做半导体材料吗？

三代半导体——氮化镓

氮化镓（GaN），是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。

氮化镓和其他半导体材料对比

上图中我们可以看到，氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来一些的优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积还更小，功率密度还更大。

氮化镓的优异特性

就如这次小米的快充一样，使得小米65W氮化镓充电器的尺寸仅为56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，体积比小米笔记本标配的65W适配器还减小了约48%，约为苹果61W快充充电器的三分之一。

为什么氮化镓快充头可以这么小巧？功率还这么大？

这就是得益于氮化镓材料本身优异的性能，使得做出来的氮化镓比传统硅基IGBT/MOSFET 等芯片面积更小，同时由于更耐高压，大电流，氮化镓芯片功率密度更大，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，所以本次看到的氮化镓快充头，不仅体积小巧，但是还能提供更强大的功率输出。

传统硅基功率器件和氮化镓MOS对比

除了快充，氮化镓还有其他什么重要应用？

氮化镓材料，目前有三个比较重要的方向，分别是光电领域，包括我们现在常见的LED，以及激光雷达和VCSEL传感器；功率领域，各类电子电力器件应用在快充头，变频器，新能源汽车，消费电子等电子电力转换场景；射频领域，包括5G基站，军事雷达，低轨卫星，航天航空等领域。

为什么氮化镓快充电头这么贵？

本次快充头中除了PD协议成本，其他硬件材料电容电感线圈电源管理IC等之外，相当一部分的成本来自于氮化镓MOS功率芯片。

制造氮化镓MOS的原材料就是氮化镓单晶片，目前单晶2英寸就高达2万多元一片。商业方案中较多的使用硅基氮化镓外延片，但是价格也非常高昂，8英寸的硅基氮化镓也超过1万的售价，而且产能不足，很难买到。硅基氮化镓是同面积的硅片的30多倍。

所以说过于昂贵的原材料导致了氮化镓芯片非常昂贵，最终传到到终端产品就看到高出普通充电头数倍的价格。

氮化镓材料为什么如此昂贵？

氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得，因此2英寸售价便高达2万多。商业场景中，更多使用氮化镓异质外延片。

什么叫氮化镓异质外延片？

在氮化镓单晶衬底上长氮化镓外延层我们称为同质外延，在其他衬底材料上长氮化镓我们称为异质外延片。

目前包括蓝宝石，碳化硅，硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。

其中蓝宝石基氮化镓外延片只能用来做LED；硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频；碳化硅基本氮化镓可以制造大功率LED、功率器件和大功率射频芯片。

本次小米发售的快充头，就是硅基氮化镓做的功率器件的一个典型应用场景。

为什么同是外延片，应用差异这么大？

氮化镓外延片的用来制造器件有很多具体的指标，包括晶格缺陷、径向偏差、电阻率、掺杂水平、表面粗糙度、翘曲度等，在不同的衬底材料长的外延层晶体质量差别较大。

其中氮化镓和3C碳化硅，有着非常接近的晶格体系，两者适配度非常高，超过95%，因此碳化硅衬底上长氮化镓外延，外延层质量非常好，可以用来做高端产品，包括大射频功率、大功率器件、大功率LED、激光雷达等。

硅和氮化镓晶体适配度非常低，不到83%，因此硅上无法直接长外延层。需要长多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比碳化硅基差不少，因此硅基氮化镓只能用来做小功率射频，中小功率器件。

蓝宝石基氮化镓，因为衬底材料的问题，无法应用到射频和功率领域，只能用作普通的LED灯。

虽然都是氮化镓外延片，但是由于衬底材料的不同，外延层晶体质量差异较大，应用也不尽相同。

蓝宝石片最便宜，硅基次之，碳化硅较贵，氮化镓最贵。

中国氮化镓生产十大企业如下：

1、中国苏州能讯

2007年成立，能讯半导体采用整合设计与制造（IDM）的模式，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。

产品：氮化镓射频功率晶体管、无线通信氮化镓射频功放管、氮化镓HEMT管。

芯技术和应用：能讯氮化镓功放管产品在宽带信号下输出高效率和高增益，应用简单，适合LTE、4G、5G等移动通信的超宽带功放应用。

氮化镓HEMT管芯可支持客户DC-6GHz以内的超宽带应用，功率密度、效率及可靠性业内领先，适合应用于紧凑型射频放大模块、通用或个人通讯子系统。

2、苏州晶湛

2012年成立，位于苏州纳米城，致力于氮化镓（GaN）外延材料的研发和产业化。 截至目前，晶湛半导体已完成A+轮融资，用于扩大生产规模。

产品：GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-Sapphire。

技术及应用：硅基、蓝宝石基和碳化硅基氮化镓外延片产品有着极高的电子迁移率和二维电子气浓度、极小的缓冲层漏电。应用于微波射频和电力电子领域；目前已可以提供6英寸、8英寸硅基氮化镓晶圆材料。

3、珠海英诺赛科

成立于2015年12月，引进美国英诺赛科公司SGOS技术。

产品：单管GaN FET，半桥GaN FET、GaN IC。

技术及应用：8英寸硅基氮化镓产业化平台，具有完善的氮化镓外延生长、无金硅CMOS兼容工艺制造、自有可靠性测试与失效分析能力。应用于激光雷达、无线充电和快充、数据中心、5G通信、人工智能、新能源汽车。

4、重庆华润微

2000年成立，以销售额计，公司是2018年前十大中国半导体企业中唯一一家以IDM模式为主运营的半导体企业。

产品：8英寸硅基氮化镓生产线，国内首个8英寸600V/10A GaN功率器件产品技术及应用：聚焦于功率半导体、智能传感器领域，为客户提供系列化的半导体产品与服务。

5、杭州士兰微

成立于1997年9月，总部在中国杭州。

2003年上市产品：国内知名IDM企业，建设6英寸硅基氮化镓功率器件中试线。

6、重庆聚力成

2018年9月成立，于重庆市大足区建设硅基氮化镓（GaN-on-Si)外延片基地。

产品：GaN-on-Si和GaN-on-SiC外延晶圆材料、GaN功率器件。

技术及应用：目前，GLC於重庆市大足区建设第一期硅基氮化镓（GaN-on-Si)外延片工厂，现今外延片已进入量产阶段，整个项目计划建成年产能12万片的氮化镓外延片产线和年产能36万片的氮化镓芯片生产和封测产线。

7、台湾积体电路制造

成立于1987年，2019年，台积公司及其子公司所拥有及管理的年产能超过一千二百万片十二吋晶圆约当量。

产品技术：6英寸的GaN-on- Si。

8、三安集团

于2000年11月成立，坐落于厦门。

产品：650V 0.5um GaN/Si，200V/100V0.5um GaN/Si。

技术及应用：三安集成的氮化镓（GaN）E-HEMT技术服务于消费者和工业应用，如适配器／充电器，电信／服务器smp，无线电源，车载充电器（OBC)和成本有效的解决方案。

9、苏州捷芯威

成立于2013年，海外归国人员创办于苏州工业园区，捷芯威子公司在氮化镓电力电子技术领域，拥有百余项国内外发明专利。专利布局包括材料、器件、工艺和应用；区域覆盖中国、美国、欧洲、日本等。

产品：硅基氮化镓电力电子器件、蓝宝石基氮化镓电力电子器件技术及应用：650V GaN FET，其BVds≥650V，Ids＞10A，导通电阻Ron＜0.15Ω。可以应用于PFC、DC-DC、DC-AC、AC-DC、无线电能传输、电源适配器、无线电源和快充领域。

单管耐压超过2000V的蓝宝石基氮化镓高压保护开关器件，单管耐压2000V，开态时导通电阻低于1Ω，且关态时漏电低于1uA/mm。

10、大连芯冠

2016年3月17日成立于大连高新区，公司采用整合设计与制造（IDM）的商业模式。

产品：硅基氮化镓外延片、硅基氮化镓电力电子器件。

技术及应用：已建成首条6英寸硅基氮化镓外延及功率器件晶圆生产线。2019年3月，芯冠科技在国内率先推出符合产业化标准的650伏硅基氮化镓功率器件产品（通过1000小时HTRB可靠性测试），并正式投放市场。

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