2020年2月13日，在小米成立十周年之际，小米特别推出了小米10系列手机，其中，小米65W氮化镓充电器成为本次发布会的一大亮点。小米10和小米10 Pro两款新机均支持30W无线极速闪充以及10W的反向充电，从0充电至100%仅需45分钟。
小米65WPD充电器的核心器件采用的是氮化镓。氮化镓（GaN）是宽禁带半导体材料，氮化镓功率器件是普通硅基的数十倍功率特性比，同时有着更强的输出功率，和更小的体积，是未来功率半导体的突破性材料。
一、读懂氮化镓
氮化镓（GaN），是由氮和镓组成的一种宽禁带半导体材料，与碳化硅（SiC）并称为第三代半导体材料的双雄。
氮化镓作为时下新兴的半导体工艺技术，提供超越硅的多种优势。与硅器件相比，GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。
Si、SiC、GaN半导体的特性对比
GaN具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度、更高的工作温度。氮化镓的能隙很宽，为3.4eV，广泛应用于功率因数校正（PFC）、软开关DCDC等电源系统设计，以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。
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（0.5或0.43）。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4×1016/cm3。一般情况下所制备的p型样品，都是高补偿的。
综上，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。这些性能提升带来的一些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。
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*30.8mm*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。
二、氮化镓：不只是快充
氮化镓除了用于快充类功率器件，还有两个比较重要的方向，分别是光电领域和射频领域。
第三代半导体的主要应用（来源：品利基金）
氮化镓的禁带宽度很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，在不使用非线性半导体泵浦固体激光器的条件下，产生紫光（405nm）激光。而且，氮化镓直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点使其拥有更快的研发速度。可以预见未来在光电领域，氮化镓占绝对的主导地位，包括我们现在常见的LED、激光雷达和VCSEL传感器都是氮化镓的应用领域。
在射频领域，氮化镓应用在5G基站、雷达、低轨卫星等。
往高频走，氮化镓是必然的选择，因为需要更大的带宽，更好的线性度，将来走MIMO（多入多出）方案，一台基站里面就要用几百个PA（功率放大器），5G和高频化应用，让氮化镓大有用武之地。
据市场调研机构Yole报告预测，2025年，LDMOS占比将由现在的40%左右下降到15%，而氮化镓将超越LDMOS和砷化镓，成为大功率射频器件的主导工艺，占比到2025年可达45%左右。
随着5G时代的来临，5G基站部署数量将呈指数形式增长，射频器件产业将比以往大得多，氮化镓器件替换LDMOS，指日可待。
三、氮化镓发展面临的挑战
在巨大优势和光明前景的刺激下，目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域，但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢，宽禁带半导体技术亟待突破。
首先，最大的瓶颈是原材料。
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。
另外，目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺，大多数设备靠国外进口。而主流氮化镓器件公司都采用碳化硅衬底，因为基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好，良率更高，更能体现氮化镓材料优势，但碳化硅衬底成本更高。
其次，原始创新举步维艰，是实现产业化的一大桎梏。
“国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。”国家半导体照明工程研发及产业联盟一专家表示。
原始创新即从无到有的创新过程，其特点是投入大、周期长。但国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。
最后，氮化镓封装成本很高。
氮化镓主要用金属陶瓷封装，封装成本占到整个器件成本的三分之一到一半。尽管业界已经在尝试纯铜、塑封、空腔塑封等形式来替代金属陶瓷封装，但由于金属陶瓷封装在性能、散热与可靠性上的优势，仍然是氮化镓器件的首选封装。
相应的，建设氮化镓封装产线的投入也很大。100万支产能的金属陶瓷封装线，仅设备投入估计就要六七千万元。
从原材料难以生产到封装成本高，导致了氮化镓器件特别昂贵。比如小米快充头中除了PD协议成本，其他电容电感线圈等之外，最主要的成本来自于氮化镓MOS功率芯片。而商业方案中的用的较多的硅基氮化镓外延片8英寸的也高达1万多元，比同面积的硅片贵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。
四、氮化镓产业链的企业
氮化镓发展水平高的企业主要还聚集在国外，目前国内外做氮化镓的公司不少，属于一个蓬勃发展的产业，创新公司层出不穷。
功率方面包括设计公司：美国EPC、加拿大GaNsysterms、美国Dialog、美国Navitas、以色列VisIC Tech、GaN Pi等。
生产环节（包括外延、制造/代工、封装）：比利时EPI、台湾嘉晶电子、汉磊、台湾欣邦、台积电、联电、TI、日本松下、韩国三星、美国IR、安森美、ST、德国X-FAB、世界先进、Towerjazz,日本DOWA等。
国内产业链还有江苏纳维、东莞中镓、华威海芯（海特高新控股子公司）、耐威科技、苏州能讯、三安光电、英诺赛科、江苏华功、江苏能华、苏州晶湛大连芯冠、苏州捷芯威、聚力成、世纪金光、山东加睿晶欣、捷笠、四川益丰电子以及13所、55所等军工单位。
结语：
诚然，氮化镓的发展将面临许许多多的难题，但是挑战也是机遇。根据Yole的统计，2018年，氮化镓功率和射频相加就已达4000万美金的市场规模。当前我国经过十年的发展，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高。
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