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。

功率表征作功快慢程度的物理量。单位时间内所作的功称为功率，用P表示。故功率等于作用力与物体受力点速度的标量积。指物体在单位时间内所做的功，即功率是表示做功快慢的物理量。

功率（英语：power）是单位时间内做功的大小或能量转换的大功率小。若令 是在时间内所做的功，则这段时间内的平均功率由下式给出：瞬时功率是指时间趋近于0时的平均功率：在讨论能量转换问题时，有时用字母代替。

功率 Power 表示做功快慢程度的物理量。功与做功所用时间之比称为功率，它在数值上等于单位时间内所做的功，用P表示。若在时间间隔dt内作功dA，则功率为故功率等于作用力与物体受力点速度的标量积。

计算公式

功率可分为电功率，力的功率等。故计算公式也有所不同。

电功率计算公式：P=W/t =UI，根据欧姆定律U=IR代入P=UI中还可以得到：P=I*IR=(U*U)/R

在动力学中：功率计算公式：P=W/t（平均功率）；P=Fvcosa（瞬时功率）

因为W=F（f 力）×S（s位移）（功的定义式），所以求功率的公式也可推导出P=F·v（当v表示平均速度时求出的功率为相应过程的平均功率，当v表示瞬时速度时求出的功率为相应状态的瞬时功率）。

力的功率为p=w/t

单位折叠

P表示功率，单位是“瓦特”，简称“瓦”，符号是“W”。W表示功，单位是“焦耳”，简称“焦”，符号是“J”。“t”表示时间，单位是“秒”，符号是“s”。

功率越大转速越高，汽车的最高速度也越高，常用最大功率来描述汽车的动力性能。最大功率一般用马力（PS）或千瓦（kW）来表示，1马力等于0.735千瓦。1W=1J/s

最近随着5G的普及，第三代半导体的应用也越来越被行业和大众所关注，在5G芯片上也被大量应用，那究竟什么是第三代半导体氮化镓呢？它有什么过人之处？在新一代半导体的应用研发上我们能否做到后来居上，打破关键技术被外国“卡脖子”的命运呢？

什么是第三代半导体氮化镓？

说到第三代半导体，我们就应该回顾一下半导体的发展历史。第一代半导体最早是锗，后来应用最广泛的是硅，它们的特点是原料易得，所以被大规模使用，包括我们现在许多芯片都是近乎纯净的硅制备成硅单晶后在经过各种加工做成的。

第二代半导体是复合物，包括我们最常用的砷化镓等化合物，在早期的时候，它在功放等功能上具有明显的优势。但是由于砷元素有剧毒，比如砒霜中就含有砷元素，所以后来砷化镓就逐渐被禁用了。

再到后来，性能更加优越的的第三代半导体材料出现了。第三代半导体和第二代半导体一样都是复合物，研究最为广泛的当属氮化镓和碳化硅，以及氮化铝等。在应用方面，碳化硅在高电压、大功率等领域有着独特的优势，而氮化镓的转换频率可以做到很高，所以经常被应用于高频功放器件领域；氮化铝则因为其特色的性能，在民用上面涉及得比较少。

功率半导体是电动车的核心，LED是显示设备的核心，射频是5G通讯的核心，这三个的最基本就是碳化硅，所以才会由很多业内人士称碳化硅是半导体材料中的王者，而氮化镓形容成温柔而又文雅的女士，站在碳化硅这位巨人的肩膀上进行极致发挥，应该被誉为半导体材料的王后。

我国氮化镓的研究进展

自2018年中兴被美国制裁到2019华为被美国制裁，根源上仍然是我国半导体行业有重大短板，目前最为民众关注的就是能否利用第三代半导体弯道超车。第三代半导体投资并不是很大，重点是人才，注重人才的培养对后面的研发和部署都具有重大的战略意义。

而现在全世界最强大的5G领域国家是以中国，美国和欧洲为核心的，在这次全世界的5G标准的立项并且通过的企业也是中国占了大头，一共就有21项，其中包括中国移动10项，华为8项，中兴2项，联通1项，而以前一直处于霸主地位的美国只有9项。这些也足以可以说明5G标准的主导者当然是中国了。同时中国在5G上应用第三代半导体的技术也位居世界前列。

5G它是个庞大的体系，他的强大得由多方力量支撑，在这个体系中，我们中国除了芯片方面要稍微弱势一点，其他都是排在世界前列，而第三代氮化镓芯片时代也打破了以前一无所有的境遇。中国5G的发展，绝不仅仅是通信技术本身的开阔，更是对社会发展的影响，也会在很大程度上改变中国的实力。让我们的国家在国际上有着更大的话语权。

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