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。

　氮化镓主要还是用于LED（发光二极管），微电子（微波功率和电力电子器件），场效电晶体(MOSFET)。在被称作发光二极管的节能光源中，氮化镓已经使用了数十年。在一些平凡的科技产品，如蓝光碟片播放器里，氮化镓也有应用。但耐热和耐辐射的特性，让它在军事和太空领域应用广泛。如今，反d道导d雷达和美国空军用来追踪空间碎片的雷达系统“太空篱笆”也使用了氮化镓芯片。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。氮化镓（化学式GaN）被称为“终极半导体材料”，可以用于制造用途广泛、性能强大的新一代微芯片，属于所谓宽禁带（wide-bandgap，氮化镓的禁带宽度是3.4 eV电子伏特）半导体之列，是研制高效率、高功率微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。氮化镓，分子式GaN，英文名称Gallium nitride，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，其单芯片亮度理论上可以达到过去的10倍。例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405nm）激光。氮化镓具有的直接带隙宽、原子键强、热导率高、化学稳定性好、抗辐射能力强、具有较高的内、外量子效率、发光效率高、高强度和硬度(其抗磨力接近于钻石)等特点和性能可制成高效率的半导体发光器件——发光二极管（Light－emittingdiode,简称为LED）和激光器（Laserdiode,简称为LD）。并可延伸至白光LED和蓝光LD。抗磨力接近于钻石特性将有助于开启在触控屏幕、太空载具以及射频(RF) MEMS等要求高速、高振动技术的新应用。LED特别是蓝、绿光LED应用于大屏幕全彩显示、汽车灯具、多媒体显像、LCD背光源、交通信号灯、光纤通讯、卫星通讯、海洋光通讯、全息像显示、图形识别等领域。具有体积小、重量轻、驱动电压低（3.5－4.0V）、响应时间短、寿命长(100000小时以上)、冷光源、发光效率高、防爆、节能等功能。LD特别是蓝光LD因其具有短波长、体积小、容易制作高频调制等优点，可使现在的激光器读取器的信息存储量和探测器的精确性及隐蔽性都有较大提高，信息的寻道时间亦将大为缩短，在民用与军用领域有着巨大潜在用途，应用于光纤通讯、探测器、数据存储、光学阅读、激光高速印刷等领域，将会取代目前的红外光等激光器。白光LED是将蓝光LED与YAG荧光物质放在一起，其合成的光谱为白光，在不远的将来取代目前传统的白炽灯和日光灯，从而引起世界照明工业的革命。

[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。

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