（原）材料视角 | “多个愿望，一次满足”

初原载于 工大材料汇    2020-03-10

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“多个愿望一次满足”

——氮化镓（GaN）

写在最前

随着电子产品的轻量化，“便携”这个关键词越发的重要了。有时候不仅仅是产品本身的便携，也指其配件的便捷性。

    拿笔记本电脑举个例子吧：很多的轻薄本标配了65w的电源适配器。已经不需要两端线材和中间的一个大大的“黑盒子”了。仅仅是比手机旅行充电器稍大的尺寸的电源，便可以支持电脑的工作。这让很多标配着130w适配器的电脑用户很羡慕。毕竟，电脑越来越轻，适配器的重量却依然很重，背着还是很沉。

但是，这样的尺寸还是不满足于用户的需求。因为，坦诚的讲，它还是有些大了，方方正正的，放在背包里并不是那样的方便。（虽然相比于130w的适配器已经好很多了）

     所以，又有了一种新的款式——“口红充电器”。如下图所示：

一支口红的尺寸（官方数据：长x宽x高：30x35x73mm）便能实现之前更大的体量下才能完成的工作。便携得到了满足。只是价格偏高……

那么，问题来了：

    市场上的需求是这样：又要体积小，又能输出功率大，还能解决发热量的问题以保证安全，最好还能便宜点。

     Emm…

BUT!!!

2月13日，小米发布会上，发布了一款GaN充电器。虽然这并不是第一款GaN充电器了，但是仿佛是从这之后“氮化镓”火了起来。

官方给出的尺寸大小长宽高为30.8 x 30.8 x 56.3mm，并且在宣传语中指出了“小巧、高效、发热低”的这些特性，三个愿望一次满足！

这些听上去就很厉害的功能还是要从氮化镓这种材料说起。

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。

    GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

GaN的电学特性是影响器件功能的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×10^16/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。

     很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中，中村报道了GaN最高迁移率数据在室温下为μn=600cm^2/v·s在和液氮温度下为μn=1500cm^2/v·s，相应的载流子浓度为n=4×10^16/cm^3和n=8×10^15/cm^3。

      近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4 ×10^16/cm^3、<10^16/cm^3；等离子激活MBE的结果为8×10^3/cm^3、<10^17/cm^3。

氮化镓作为一种宽禁带半导体材料，与传统的硅半导体材料相比，它能够让功率器件在更高的电压、频率和温度下运行。在电源管理应用上，氮化镓的优势包括：

1、传导损耗小，能效高。氮化镓晶体管的导通电阻（Rds, on）是传统硅器件的一半，在相同的输出电流下损耗更小，能效更高。低损耗的同时意味着低发热，从而可以有效地简化散热器件和热管理系统设计。

2、氮化镓晶体管内不含二极管，没有反向恢复损耗。

3、氮化镓晶体管的输入电荷非常小，几乎没有栅极驱动损耗。

4、氮化镓功率器件可以支持更高的开关频率（GaN: 1MHz, Si:<100KHz），从而减小无源器件的体积。

5、氮化镓器件的功率密度很大，在减小体积的同时可以增大输出功率。

 细心的你一定发现了，上面提到的都是“氮化镓晶体管”的特点和优势，那么和充电器有什么关系呢？

     充电器主要的工作原理是变压器，但同时也需要对输入和输出的电流进行控制，氮化镓晶体管的用武之地就在于此。

氮化镓与我们

仿佛是在小米发布会之后，氮化镓突然就火起来了一样，实际上2014年的诺贝尔诺贝尔物理学奖（蓝色发光二极管）便是基于GaN开发得到的。学界对GaN的重视，其实也不是一天两天的故事了。

     所以，氮化镓之于厂商，之于我们意义何在。

     首先对于我们每一个个人或者说消费者，能够使用到性能更加优异的产品，体验到科技发展带给我们生活的改变，体会着新材料作为社会现代化的先导的重要作用。

      对于厂商来说：”目前氮化镓增装最快的要数快充市场。随着手机电池容量不断增加，大功率的快充变得越来越重要，而传统硅材料受限于体积以及功率密度的极限，无法满足市场需要，氮化镓通过自身的又是迅速吸引了市场。但是，目前中国氮化镓功率应用市场还处于起步阶段，市场对于氮化镓的认识还不够，并且氮化镓自身的成本还太高。但随着硅基氮化镓成本的降低以及可靠性的大幅提高，采用氮化镓材料的快充充电器必将成为行业主流。

     同时，氮化镓在大功率市场的需求也非常巨大，尤其在５Ｇ基站供电模块，以及新能源汽车车载充电（ＯＢＣ）领域，国内和国际厂商都将目光瞄准了这些市场。随着汽车的电动化，ＧａＮ在汽车领域的应用前景特别值得期待。中国是世界上最大的电动汽车市场之一，这也将促进氮化镓器件在中国市场的应用发展。”

    同时，对于中国厂商而言，氮化镓也是一个“弯道超车”的机遇。

第一代半导体的“硅”（主要解决数据运算、存储）、二代半导体的“砷化镓”（光纤通讯），全世界研发起点都比较早，但我国没有享受到研发红利。

     在2016年科技部的“战略性先进电子材料”重点专项，其中就明确要求：实现以自主可控的氮化镓基射频器件和电路成套技术，推动我国第三代半导体在射频功率领域的可持续发展。

     氮化镓，看起来距离我们很远，但是已经有厂商优化自己的产品让价格降到一个相对能够被更多的人接受的区间之内。类似的，有着更多的材料等待着我们去研究，去探索，正所谓“天生我材，铸就未来”。

Q&A Time

       本期的材料视角就到这里了，下面是喜闻乐见的问答时间:

Q1:

氮化镓与传统材料相比，其优势体现在那里？

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。因为其硬度高，所以是一种良好的涂层保护材料。氮化镓作为一种宽禁带半导体材料，与传统的硅半导体材料相比，它能够让功率器件在更高的电压、频率和温度下运行。在电源管理应用上，氮化镓的优势包括：1、传导损耗小，能效高。2、氮化镓晶体管内不含二极管，没有反向恢复损耗。3、氮化镓晶体管的输入电荷非常小，几乎没有栅极驱动损耗。4、氮化镓功率器件可以支持更高的开关频率（GaN: 1MHz, Si:&lt;100KHz），从而减小无源器件的体积。5、氮化镓器件的功率密度很大，在减小体积的同时可以增大输出功率。 

Q2

你还知道哪些可以用在高功率原件中的半导体材料呢？

精选留言：

砷化镓、磷化铟、碳化硅、氧化锌等

                                         --------Вперед, товарищи

参考文献：

【1】《氮化镓_GaN_5G时代提高射频前端和无线充电效率的新元素》【J】.半导体信息  本文下载自中国知网

【2】《OPPO首发，小米、华为跟进：氮化镓技术成旗舰手机标配？》 原文发布者：雷科技 原文链接：http://baijiahao.baidu.com/s?id=1659694834254107924  

【3】氮化镓_百度百科词条  

https://baike.baidu.com/item/%E6%B0%AE%E5%8C%96%E9%95%93/1650059?fr=aladdin 

【4】图片来源：

1.ThinkPad联想type-c 手机平板笔记本适配器X280T480E480L480S2适用_京东：https://item.jd.com/39733444883.html  

2.联想Thinkplus口红电源 Type-C/笔记本适配器_京东：https://item.jd.com/39760508796.html  

3.小米GaN充电器 Type-C 65w__小米商城：https://item.mi.com/product/11543.html?cfrom=search&selected=1200300013&pClass=c  

4. 其余图片来自网络

本文作者：马浩然

时任审阅：于世龙  刘孟茜

时任编辑：马浩然

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时任总编辑：李晓萌