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。

露笑 科技 最近有点火啊。

在老师们骂他是骗子、“露笑 科技 把人整笑了”后，露笑 科技 也迎来大跌，跌了20%左右。

股吧、雪球众人都各持己见，论战不休。

但是并没有业内人士出来说道说道这个，这就有点神奇了。

行外看热闹，非专业人士说的东西，大家要有一些判断。

现代科学的发展进步，其实已经到了普通人很难理解的程度了，不信你看看下面这个“标准模型”的公式：

要是你不懂这个标准模型的话，第三代半导体，你也就是连入门都说不上了。

不知道老师们懂不懂这个啊。

01

首先简介一下第三代半导体

1. 导体和半导体

量子力学认为，组成物质的原子是由原子核和电子组成的，电子以电子轨道的方式在核外运动。

原子和原子组成物体时，会有很多相同的电子混在一起，这个相混的过程就是化学反应，形成化学键，就产生了新分子。

但是两个相同的电子没法呆在一个轨道上，为了让这些电子不在一个轨道上打架，于是很多轨道就再分裂出好几个轨道。

可是这么多轨道，一不小心挨得近了，就会挤在一起，形成宽轨道，这个宽轨道，就叫做能带。

有些宽轨道上，挤满了电子，电子就没法移动，宏观上就表现为绝缘，这个就叫做价带。

而有些款轨道，则空旷的很，电子大把空间自由移动，宏观上就表现为导电，这个就叫做导带。

固体里面充满了价带和导带，价带和导带之间往往是有间隙的，这个间隙就叫做禁带。

导带和价带之间挨得很近，那么电子就可以毫不费力地从价带变更车道到导带上，这就是导体。

如果稍微离得远了点，电子自身就不能跨过禁带，但是如果也不是离得非常远，禁带在5ev内，那么给电子加个额外能量，电子也能跨过禁带，这就是半导体。

假如禁带大于5ev，那基本就歇逼菜了，电子在普通情况下是跨不过去的，这就是绝缘体。

当然，凡事都有例外嘛，如果能量足够大，别说5ev的禁带，就是5000ev的禁带也能一冲而过，这个就叫击穿场强（这个东西很重要，不信继续看下去）。

当然，禁带越宽，击穿场强越高。

击穿场强越高，就越耐草。

2. 第三代半导体

不要被第三代给吓着了，哈哈。

第三代半导体，严谨地来说，叫做宽禁带半导体，也就是禁带宽于现在的硅基半导体。

按照半导体材料能带结构的不同，禁带宽度如果小于2.3ev，那就是窄禁带半导体，代表材料有：GaAs、Si、Ge、InP（有读者可能不了解化学，这几个材料翻译成中文就是：砷化镓、硅、锗、磷化铟）。

如果禁带宽度大于2.3ev，那就叫做宽禁带半导体，代表材料有：GaN、SiC、AlN、AlGaN（中文名：氮化镓、碳化硅、氮化铝、氮化镓铝）。

由前文分析，我们可知，半导体禁带宽度越大，则其电子跃迁到导带需要的能量也就越大。

呵呵，那当然击穿场强也越大了，这意味着材料能承受的温度和电压更加高。

由此可知，宽禁带半导体和集成电路，也就是和逻辑芯片，没有什么太大关系了。

逻辑芯片的核心在于怎么把晶体管做小，也就是制程提高。

而电力电子器件、激光器，则是怎么考虑承受更高的电压、电流、频率、温度，然后有更小的电力损耗，以应用在各种恶劣环境和大功率环境下。

想的是怎么耐草的问题。

所以，宽禁带半导体大展身手的地方，在电力电子器件、激光发生器上。

目前比较有希望的两种材料是碳化硅和氮化镓，其他的长晶很困难。

碳化硅主要用在功率器件上，现在最热的就是用在电动车上，因为带来电力损耗减少，能够提高电动车的续航。

以后在光伏和风电发电中，用上碳化硅的话，也能够提高发电效率，促进度电成本下降。

所以在这么一个政治家推动的电气化时代，其需求是很迫切的。

氮化镓则主要是用于微波器件上，比如5G基站的射频芯片就要用到它，否则效果就比较差。

特别是军方的电磁对抗，更加需要氮化镓，来增加单位微波功率。

在5G时代，氮化镓是不可或缺的。

02

露笑是个大坑吗

国内的话，研究宽禁带半导体主要有3个流派，中科院物理所、中科院上海硅酸盐所、山东大学，最主要的研究方向就是宽禁带半导体衬底的晶体生长。

因为这个行业最源头的，以及最难的，就是衬底片的制造。

就像硅基的半导体，要是没有硅片，那做毛个芯片呢？

这三个流派都是90年代开始就开启研究了，起步时间和国外是差不太多的，读者有兴趣可以自行搜索下他们的论文。

中科院物理所是陈小龙领头，成立产学研转化的企业是天科合达。

这个企业去年撤回了IPO，有些奇怪。

坊间传闻，据说是陈小龙出走了。

天科合达的金主是新疆生产建设兵团，控股方是天富集团，A股的影子股是天富集团控股的天富能源，占了10.66%的股份。

山东大学是徐现刚领头，产学研的企业是山东天岳。

原本的领头人是徐现刚的老师蒋民华院士，遗憾的是这位大佬不幸于2011年逝世，事未竟而身先死，科学真的是烧人的事业啊。

这里向领路的大佬致以崇高的敬意！

山东天岳前段时间参加了上市辅导，相信很快就会跟大家在A股见面。

大家对他的热情也是非常高涨啊，穿透下来只有他股权2%的柘中股份都被资金顶了7个板。

中科院上海硅酸盐所，则是陈之战领头。

陈之战之前在世纪金光干过，后来20年5月份，和露笑 科技 走在了一起。

这个露笑 科技 ，算是最近的股吧热门了。

涨了一倍之后，前几天就出来自媒体的老师们在微信公众号、抖音等平台出来说，这是家蹭热点的骗子公司。

对比大家一定要有自己的判断，要知道这些老师并不是业内人士，很有可能不懂技术，只是翻了一下二手资料。

露笑 科技 曾经追逐热点，投资的锂电池、光伏也都失败了。

但是并不能以此推导出他的管理层就是坏家伙。

露笑 科技 原来的主营业务漆包线，是人都知道的传统行业，竞争激烈，管理层当然也知道这是没有什么前途的。

谋取转型，某种程度上说明管理层是有进取心的。

但转型是困难的，踏足一个未知领域，哪有这么简单。

这个头疼的东西，山西的煤老板们最清楚了。

而做一级投资的都知道，热门行业的好项目，是拼爹的玩意儿，要各种关系、资源的，那个东西是你手上有钱就能投的进去的吗？

但是如果没有投到厉害的公司身上，那大概率是要被有爹的给干死的。

在低潮期捡漏，像高瓴投腾讯、段永平投网易，都是高难度动作，传奇故事，需要天时地利人和来配合，这种机会不仅是少，而且非常难把握。

碳化硅这个东西嘛，以往并不是很热，因为商业化应用的领域没有出来。

陈小龙在媒体采访时就曾经透露到，天科合达在成立后的10多年里未曾盈利，给投资方和团队都带来了非常大的压力。

而美国军方扶持起来的CREE，就算有军方爸爸，但是在2016年的时候也顶不住，想要把企业卖给英飞凌。

而电动车领域里，就在2020年，特别疫情期间，大家还怀疑，补贴退坡之后，会不会就面临死亡了。

当时还有人专门写了《预言一场电动爹大逃杀》来看空呢。

那你们想想，碳化硅器件目前最好的应用场景，在去年都还是这个熊样，谁又会多留意碳化硅呢？

当时的大热门还是功率器件的国产替代，是硅基的IGBT、MOSFET，是斯达半导体、新洁能。

所以20年露笑 科技 找到陈之战，或许和以往的投资，有些不同吧。

国内碳化硅衬底还局限在二极管的应用，芯片质量主要来自于衬底，也因此几乎国内SiC器件都来自国外。

目前碳化硅四寸片，做的比较好的是天科合达、河北同光以及山西烁科等几家企业。

但是六寸量产（每个月稳定出货量在几百片）的厂商，目前还基本没有。

也就是说，三大流派其实还是半斤八两，都还需要突破，否则华为怎么对天科合达和山东天岳都一起投资呢？

当下这个阶段就是，谁能率先突破，谁就会享有先发优势，并在行业景气的助力下，实现超额收益，获得市场的估值溢价。

或许当合肥露笑半导体的碳化硅衬底片出来后，华为也会进来投资一笔呢。

合肥市政府号称最牛风投，人家可不是傻子。

至于说露笑 科技 没有技术积累，这真不知道怎么说，陈之战大哥和他的团队、学生已经研究了20多年了。

很可能是，露笑 科技 的蓝宝石业务部门，19年在给中科钢研代工碳化硅长晶炉的时候，突然发觉这是个有戏的行业，随后才找到了陈之战。

总之，对于露笑 科技 ，大家要有自己的判断，核心点有且只有一个，陈之战团队能不能扎下根来。

最后，做个总结。

君临认为，目前碳化硅的投资，最好的应该是衬底环节，这个环节现在产能不足、壁垒极高。

而衬底的企业，则主要是看已经研究了20多年的国内三大流派旗下企业。

按照中国的科研环境、功率器件企业发展状况来说，其他的团队压根没法分杯羹。

材料技术是积累出来的，烧人烧时间，更加烧钱。

现在行业热了再来开始研发，短时间根本不可能见效。

中科院的两个研究所，山东大学蒋院士的团队，科研的资源肯定是最丰富的，但是人家陈小龙都说压力很大，所以别的团队申请科研基金都不容易。

露笑 科技 说9月份能试生产，年底批量生产，而且是6英寸的，有陈之战在，应该不是讲大话。

一旦衬底片年底真的量产了，那就是国内领先了，以国内资金对 科技 的热度，自然会有神秘的东方估值力量。

宽禁带半导体领域里，全球都还是在懵懵懂懂的阶段，咱们和美国虽然有差距，但也不是这么大。

特别是他的主要应用领域，新能源发电、新能源 汽车 、5G通讯、航空航天、电磁对抗，咱们国家都是最大的应用市场和制造商，特别是光伏、风电、电动车、5G这些大规模民用的领域。

技术的进步还是源自经济利益的驱使，产业的需求对于技术进步的作用是最大的。

所以宽禁带半导体的投资在目前是大有可为，很有可能在我们国家诞生全球龙头，这个想象空间大不大？

至于氮化镓等材料，以及外延、器件设计制造等环节，行业本就是新兴的，肯定也是有大机会的，君临会在后续的跟踪文章中持续输出，带领读者彻底搞定这个领域。

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