最近幾年，手機(jī)行業(yè)的“軍備競(jìng)賽”日益激烈，每家廠商都在不斷加大研發(fā)力度，希望自家產(chǎn)品能在性能上盡可能長(zhǎng)時(shí)間地壓倒對(duì)手，消費(fèi)者幾乎每隔幾個(gè)月就能在新手機(jī)上看到全新的技術(shù)應(yīng)用或是舊功能得到革新。
在諸多技術(shù)之中，充電技術(shù)是這場(chǎng)競(jìng)賽的核心“軍備”。從華為的40W快充開(kāi)始，小米、OPPO、vivo等廠商陸續(xù)推出44W、55W、65W乃至最近的125W快充，用戶(hù)的生活方式逐漸改變。不再需要向過(guò)去那樣整晚給充電，每天只需洗漱時(shí)充電一小會(huì)，就能滿(mǎn)足大半天的使用，生活方便了許多。
但與此同時(shí)，隨著充電功率的上升，里面的散熱組件及濾波、保險(xiǎn)、電容等器件越來(lái)越多，充電器的體積也越來(lái)越大。過(guò)去可以揣在口袋里的充電頭，在65W快充到來(lái)的時(shí)代，已經(jīng)有了向磚頭靠攏的趨勢(shì)。
在未來(lái)，阻礙快充普及的可能不再是充電發(fā)熱、自燃之類(lèi)的安全風(fēng)險(xiǎn)，而是充電頭巨大的體積和沉甸甸的重量。充電技術(shù)發(fā)展遇到了短暫的瓶頸。
不過(guò)，這個(gè)瓶頸很快被突破了。
風(fēng)口上的氮化鎵
去年8月份，愛(ài)否聯(lián)合倍思發(fā)布了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)第1款65W氮化鎵充電器，它的體積只有其他廠商65W充電器的一半左右，頓時(shí)引發(fā)了關(guān)注。自此，“氮化鎵(GaN)”一詞開(kāi)始成為了數(shù)碼圈的熱詞。很快，OPPO跟進(jìn)推出自家的65W氮化鎵充電器，許多第三方廠商也推出相應(yīng)產(chǎn)品。
今年1月，小米也推出這一產(chǎn)品。通過(guò)有巨大網(wǎng)絡(luò)影響力的雷軍不遺余力地宣傳，氮化鎵的熱度再度拔高。
接著，華為在基站中棄用美國(guó)芯片，轉(zhuǎn)而使用“備胎”氮化鎵射頻PA的消息傳出，更是讓這種新貴材料的熱點(diǎn)不再限于充電器行業(yè)。人們對(duì)整個(gè)氮化鎵半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)注都開(kāi)始上升。
事實(shí)上，說(shuō)氮化鎵材料是“新貴”不太貼切，事實(shí)上，早在30年前，這種材料就已經(jīng)被用在半導(dǎo)體上。但因?yàn)榉N種原因，它在過(guò)去并沒(méi)得到廣泛使用，大多數(shù)人對(duì)其也是知之甚少。
簡(jiǎn)單說(shuō)，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展近百年，已經(jīng)經(jīng)歷了3代半導(dǎo)體晶圓材料的革新。第1代半導(dǎo)體是鍺和硅;第2代半導(dǎo)體以砷化鎵、磷化銦為代表;氮化鎵則屬于第3代半導(dǎo)體材料，與其同類(lèi)的還有碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等。
其中，氮化鎵和碳化硅是目前研究最為火熱的第3代半導(dǎo)體材料，被稱(chēng)為第3代半導(dǎo)體的“雙子星”。
那么，比起第1代和第2代半導(dǎo)體，第3代半導(dǎo)體的進(jìn)步在哪里呢?第3代半導(dǎo)體又稱(chēng)作“寬禁帶半導(dǎo)體”，顧名思義，其核心優(yōu)勢(shì)就在“寬禁帶”上。
核心優(yōu)勢(shì)——禁帶
先簡(jiǎn)單科普一下“禁帶”的概念。
初中化學(xué)內(nèi)容：一個(gè)物體能否導(dǎo)電以及導(dǎo)電能力強(qiáng)不強(qiáng)，取決于其能否產(chǎn)生自由流動(dòng)的電子以及產(chǎn)生自由電子的能力。金屬類(lèi)元素的原子核對(duì)外層電子的束縛能力較弱，因此表現(xiàn)為良導(dǎo)體;非金屬元素原子核對(duì)于外層電子束縛能力強(qiáng)，因此外層電子不能自由流動(dòng)，成為了絕緣體。
而半導(dǎo)體在二者之間——它本身不導(dǎo)電，但是在一定的狀況下，比如摻進(jìn)雜質(zhì)后，就可以導(dǎo)電。
在固體中，原子外的電子會(huì)分成不同能級(jí)，當(dāng)原子間相互作用導(dǎo)致能級(jí)移動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了一組差別很小的能級(jí)，也就是能帶。其中，電子從最低能級(jí)開(kāi)始依次向上填充，被填滿(mǎn)的能帶稱(chēng)為滿(mǎn)帶，滿(mǎn)帶中能量最高的一條稱(chēng)為價(jià)帶。由于已經(jīng)擠滿(mǎn)了電子，可以認(rèn)為價(jià)帶中的電子是不導(dǎo)電的。
從價(jià)帶繼續(xù)往上，就是沒(méi)有被填滿(mǎn)的能帶，由于這個(gè)能帶幾乎是空的，所以電子可以自由移動(dòng)，這個(gè)能帶就是導(dǎo)帶。在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的就是禁帶。換句話(huà)說(shuō)，禁帶就是電子從價(jià)帶“突破”到導(dǎo)帶所需的能量。
簡(jiǎn)單打個(gè)比方，滿(mǎn)帶就像半導(dǎo)體內(nèi)一條擠滿(mǎn)電子的公路A，導(dǎo)帶則是旁邊是一條空蕩蕩的公路B，禁帶是公路A和公路B之間的溝，價(jià)帶則是公路A上最靠近公路B的車(chē)道。
如果溝太寬，電子沒(méi)辦法從公路A跳到公路B上去，交通便陷入徹底癱瘓，這就是絕緣體;如果溝很窄，電子很容易走上公路B，交通就會(huì)立刻順暢起來(lái)，這就是金屬。半導(dǎo)體就是在公路A和公路B之間搭了一座升降橋，實(shí)現(xiàn)電子可控地移動(dòng)。
從這里我們可以知道，半導(dǎo)體的禁帶不能太窄，否則只需很小的能量就能讓所有電子自由移動(dòng)。半導(dǎo)體就變成了導(dǎo)體，上面的電流不再可控。
更關(guān)鍵的是，這種情況是不可逆的，所有電子成為自由電子后，化學(xué)鍵就破裂了，材料本身發(fā)生了變性。一旦化學(xué)鍵破裂，就會(huì)和環(huán)境中的其他原子，例如氧，形成新的化學(xué)鍵，就不再是晶體了。
反過(guò)來(lái)，禁帶寬的好處有很多。比如和前面說(shuō)的相反，禁帶越寬，意味著這個(gè)材料本身越難成為導(dǎo)體，可以承受的電壓也就越高，用它制作半導(dǎo)體器件也就能承受更高的功率和溫度。
進(jìn)而，相對(duì)于原來(lái)的硅器件，同樣電壓等級(jí)下，寬禁帶半導(dǎo)體的die(從晶圓上切割下的芯片)可以做得更小，從而讓干擾半導(dǎo)體元件性能的寄生參數(shù)更小，發(fā)熱更小。寄生參數(shù)小則帶來(lái)導(dǎo)通速度快、反向恢復(fù)電流小、開(kāi)關(guān)損耗小、承受溫度高等優(yōu)勢(shì)。
從具體指標(biāo)上可以看出，第3代半導(dǎo)體幾乎全面領(lǐng)先硅和砷化鎵：
從4000萬(wàn)到20億美金的市場(chǎng)
在氮化鎵和碳化硅中，碳化硅熱導(dǎo)率較高，使得其在高功率應(yīng)用中占據(jù)統(tǒng)治地位;由于氮化鎵具有更高的電子遷移率，具有更高的開(kāi)關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，氮化鎵具備優(yōu)勢(shì)。
今年4月20日，國(guó)家發(fā)改委宣布“新基建”的范圍，第3代半導(dǎo)體赫然在列。
在第3代半導(dǎo)體中，碳化硅相對(duì)氮化鎵發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些，其優(yōu)勢(shì)在高溫和1200V以上的大電力領(lǐng)域，包括電力、高鐵、電動(dòng)車(chē)、工業(yè)電機(jī)等。不過(guò)，近年來(lái)氮化鎵適合的高頻小電力領(lǐng)域，例如通信基站、毫米波等產(chǎn)業(yè)開(kāi)始興起，碳化硅未來(lái)市場(chǎng)廣大。
當(dāng)然，在消費(fèi)者領(lǐng)域，和氮化鎵耐高壓、高溫、大電流特性最匹配的，無(wú)疑就是用在快充上了。其功率密度更大，因此功率密度/面積遠(yuǎn)超硅基，此外由于使用氮化鎵芯片后還減少了周邊的其他元件的使用，電容，電感，線圈等被動(dòng)件比硅基方案少的多，進(jìn)一步縮小的體積。
小米1月發(fā)布的65W快充，尺寸僅為56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，體積比小米筆記本標(biāo)配的65W適配器小了約48%，約為蘋(píng)果61W快充充電器的三分之一。
從總體產(chǎn)業(yè)格局看，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈和傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)類(lèi)似，包括單晶襯底制造→氮化鎵材料外延→氮化鎵器件設(shè)計(jì)→氮化鎵器件制造這4個(gè)環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)相關(guān)企業(yè)來(lái)看，基本以歐美企業(yè)為主，中國(guó)企業(yè)已經(jīng)有所涉足。
氮化鎵器件主要分成射頻器件和功率器件以及光電器件三大方面。氮化鎵光電器件已經(jīng)是成熟市場(chǎng)，規(guī)模也不大，為了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展將主要集中在射頻器件和功率器件上。
根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)，2018年，氮化鎵功率和射頻相加僅僅4000萬(wàn)美金的市場(chǎng)規(guī)模，但業(yè)內(nèi)認(rèn)為，隨著5G基站的建設(shè)高潮，汽車(chē)電子、激光雷達(dá)以及消費(fèi)電子的快速增長(zhǎng)，無(wú)論是功率領(lǐng)域還是射頻領(lǐng)域，氮化鎵器件市場(chǎng)未來(lái)都會(huì)出現(xiàn)較大增長(zhǎng)。
Yole預(yù)測(cè)，氮化鎵射頻器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2024年成長(zhǎng)至20億美元;同時(shí)，氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)到2022年將增長(zhǎng)到4.6億美元。
公司簡(jiǎn)介：
深圳泛美戰(zhàn)略金屬資源有限公司是一家專(zhuān)注半導(dǎo)體材料研發(fā)，稀缺金屬,戰(zhàn)略金屬,稀土金屬,稀有金屬投資儲(chǔ)備、開(kāi)發(fā)銷(xiāo)售、環(huán)保回收于一體的技術(shù)資本實(shí)力雄厚的有限責(zé)任公司。泛美戰(zhàn)略金屬公司注冊(cè)實(shí)繳資本總額 (人民幣)1000萬(wàn)元，依靠自身深厚的行業(yè)背景資源，創(chuàng)新的戰(zhàn)略理論熱誠(chéng)歡迎各界人士洽談合作，泛美愿與各界人士一起在開(kāi)辟金屬金融化，率先領(lǐng)導(dǎo)建立起我國(guó)戰(zhàn)略稀有稀土金屬民間儲(chǔ)備的道路上分享夢(mèng)想的榮光，前瞻性的潛在可能巨大價(jià)值回報(bào)，泛美戰(zhàn)略把為任何合作伙伴創(chuàng)造價(jià)值回報(bào)當(dāng)成最高的企業(yè)經(jīng)營(yíng)理念。 投資稀缺金屬 稀散金屬 戰(zhàn)略金屬 稀有金屬 有色金屬 實(shí)物投資 小金屬銦鍺鎵碲鉍硒銻鈷鎳鉛鋅銅鋁鎢鈦鉬鈮釩金銀稀土鐠釹等稀土金屬稀有金屬稀貴金屬 投資實(shí)物金屬礦產(chǎn)，找泛美金屬。
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