氮化镓功率器件，从消费电子向新能源领域快速渗透

随着电力电子系统性能的不断提高，硅基（Si）功率器件已逐渐不能满足系统要求，在全球能源转型与半导体技术迭代的交汇点上，氮化镓（GaN）功率器件正以颠覆性姿态重塑电力电子版图。凭借 3.39eV 的禁带宽度、3.3MV/cm 的绝缘击穿场强及 2.5×10^7cm/s 的电子漂移速度，氮化镓在高频率、高功率场景中展现出显著优势。

“与硅基器件相比，氮化镓的功率密度可达 30W/mm，是硅的 150 倍，开关频率提升 10 倍以上，可使电源适配器体积缩小 60%。”在英飞凌消费、计算与通讯创新大会（ICIC 2025）上，西安电子科技大学广州研究院教授 弓小武 在题为《氮化镓功率器件：技术、应用及未来展望》的演讲中，系统地梳理了氮化镓（GaN）技术的演进路径、应用场景及产业机遇。

西安电子科技大学广州研究院教授 弓小武

作为曾在英飞凌工作 19 年的资深专家，弓小武指出，氮化镓正从消费电子向新能源汽车、数据中心等领域加速渗透，成为支撑 “双碳” 目标的核心技术之一。

材料性能突破，技术路线分化

氮化镓功率器件主要包括横向型和垂直型器件。

传统Si功率器件普遍采用垂直结构，而氮化镓器件由于衬底成本高昂的限制，且电子迁移率高，横向结构易形成最“快”的器件，所以目前氮化镓器件主要采用横向高电子迁移率晶体管（HEMT）结构，通过异质外延生长于硅衬底（如8英寸、12英寸低阻硅晶圆）。

横向结构突破了传统垂直结构的成本限制，实现了更高功率密度（>30W/mm）与频率响应能力。据介绍，氮化镓HEMT器件结构类型有增强型E-Mode HEMT和耗尽型D-Mode HEMT。为了降低电路复杂度，减小功耗，目前商用主要是增强型器件，分为欧姆栅E-Mode P-GaN HEMT和肖特基栅E-Mode P-GaN HEMT。

耗尽型的代表，Cascode GaN HEMT结构由一个耗尽型的高压GaN HEMT和一个低压的硅MOSFET组成。其优势在于不需要额外的蚀刻工艺，制造简单，拥有硅基器件带来的高阈值电压优势；劣势在于硅基器件限制了GaN的开关能力，GaN器件和硅MOS器件Coss较难匹配，反向恢复电荷会带来额外损耗。

目前，氮化镓器件共性关键技术研究主要包括超低电阻欧姆接触、低速低损伤刻蚀研究、栅介质及表面处理、钝化层优化以及阈值电压调控。延伸到具体应用领域上：

• 氮化镓功率器件及其电源系统的常关型功率器件一般看重Cascode路线、P型栅路线、栅电荷存储路线和再生长凹栅路线。对应具体产品为高性能GaN集成驱动芯片、高效率AC-DC模块电源；
• 氮化镓射频器件及其PA模块的常关型射频器件一般看重应力工程和可靠性研究，对应具体应用为非对称Doherty结构PA电路、混合调制类包络跟踪系统，以及PA模块流片及封装测试。

技术发展趋势

谈到氮化镓技术的未来发展趋势，弓小武认为主要有三大趋势。

首先，从常规的GaN HEMT逐渐向双向GaN HEMT发展。使用两个栅极来阻断任一极性的电压并支持任一方向的电流流动，双向导通、双向截止，同时具备无反向恢复、超低栅极电荷等特性。使用这类器件可以减少元件总数量，从而实现更高的功率密度，更高的可靠性和更低成本的解决方案。

和以前的二极管全桥+IGBT、IGBT+续流二极管、反向阻断IGBT、Si MOS+JBS二极管方案对比，双向单片GaN开关技术是目前最小、效率最高的氮化镓技术方案，可以用在电源、电极、光伏等等领域。

第二，衬底技术。从最初的硅、碳化硅、蓝宝石、QST到SOI工艺，蓝宝石级氮化镓有诸多的优势。比如8英寸大尺寸已普及，利好国产衬底；衬底廉价，“8 英寸蓝宝石衬底成本仅 800 元，外延设备要求低，且具备高机械强度与绝缘特性，适用于 650V 以上高压场景。” 弓小武说道。

此外，蓝宝石氮化硅衬底的优势还包括：外延设备要求低，外延成本低，利好国产MOCVD；外延质量高、外延层缺陷较少；机械强度高，不宜碎片，终结QST衬底优势；克服散热难题，可减薄至50㎛，可做大功率；耐高压，衬底绝缘，无寄生沟道，超薄外延，终结碳化硅衬底优势；适合单片集成，绝缘衬底抗串扰、无衬偏效应，终结了SOI衬底的优势。

第三，氮化镓集成技术可以让器件拥有传感器、过流保护、过温保护、ESD、高低压覆盖等功能，所以其体积很小。这样技术路径可以让过往的“氮化镓功率器件+硅外围电路”方案，通过异构集成到单片氮化镓芯片中，以45W、65KHz氮化镓单管充电器为案例，在采用集成方案氮化镓后，工作频率达到6倍（400KHz），体积则只有原来1/3大小。

应用场景扩展：从消费电子到新能源

根据Fortune Business Insights调研数据，2019 年氮化镓器件全球市场规模为 205.6 亿美元，预计到 2027 年将达到 284 亿美元。“氮化镓功率器件的应用边界正快速扩展，呈现‘低压高密、高压耐受’的双向突破。”弓小武将应用场景划分为三个层级：

• 小功率应用（<1KW）：如手机/电脑充电器、无线电源、家用电器、电动交通、射频器件等，在200V到600V电压区间里，氮化镓器件可实现高功率密度、外形紧凑、低热损耗和高输出功率。
• 中功率应用（1KW-10KW）：如充电桩、逆变器、发动机、不间断电源、48V轻混电动汽车等，应用电压范围在900V-1200V，在这个电压范围内，氮化镓和碳化硅可以共存，满足高功率密度、高可靠性和快速充电的需求。
• 大功率应用（>10KW）：如数据中心电源、800V动力平台、智能电网、大型轮船、风能发电、高铁等，应用电压范围在3300V-6500V，氮化镓器件可提高系统效率和功率密度。

2019~2021年，由于消费类电源的快速增长，氮化镓功率市场有一个快速的上升；2022~2023年，由于疫情以及全球经济的萎靡，氮化镓业务持续低迷。但是2024年之后，由于新能源汽车以及数据中心业务的扩张，氮化镓市场将重新迎来一个快速增长期。

根据弓小武分享的氮化镓应用市场Roadmap显示，氮化镓功率器件在消费类电源、数据中心电源、工业、汽车动力总成等领域将逐步实现商业化，并在未来几年内显著增加出货量。

我们发现，消费类应用始终占据氮化镓器件的最大份额，到2028年，预计会占整个氮化镓器件份额的64%。中期内，电动汽车和通信也会成为氮化镓功率器件的一个重要增长点。

未来，氮化镓将全面渗透30~3300V的电力电子市场，6~8英寸的蓝宝石级氮化镓将在650V以上的市场占主导优势，8~12英寸的硅级氮化镓将在650V以下的市场占主导优势。

产业挑战：专利壁垒与供应链重构

目前，氮化镓功率器件产业链分布广泛，从蓝宝石级氮化镓到硅级氮化镓，从衬底、外延、工艺、设计到封装、系统，各个环节都存在着激烈的竞争。

欧美日企业在第三代半导体市场仍占据统治地位，碳化硅功率半导体市场份额主要由Cree、ROHM、英飞凌、Mitsubish、意法半导体所主导；氮化镓功率半导体市场份额主要由EPC、Transphorm、GaN system和英飞凌所主导；氮化镓射频器件市场份额主要由住友电工、Cree、Qorvo所主导。

“美国、欧盟和日本仍然在不断地加大对第三代半导体产业的投入和支持。但但国内氮化镓产业链上的企业也较为齐全，竞争力较强。” 弓小武说道。

弓小武表示，国内氮化镓产业主要面临的挑战在于专利布局差距。欧美日企业占据全球 50% 以上专利，国内企业在基础专利储备上仍需突破。

但机遇同样显著。

例如国内也出台了一些政策支持和加速第三代半导体产业的发展：

2013年，科技部863计划将半导体产业列为发展战略产业；

2016年，第三代半导体产业元年，国务院国家创新产业发展领导小组将其列为重点发展方向；

2017年，工信部、国家发改委公布的信息产业发展指南将第三代半导体材料列为集成电路产业发展重点；

2018年，各地方政府大力支持第三代半导体产业发展，陆续出台扶持政策；2019年，国家级战略《长三角洲区域一体化发展规划纲要》明确要求长江三角洲区域加快培育布局第三代半导体产业；

2020年，第三代半导体产业写入“十四五”规划；

2022年，科技部围绕国家重大区域发展战略部署，在全国布局国家第三代半导体技术创新中心，深圳、南京、苏州、北京、山西、湖南6个分中心。

弓小武强调，国内市场是氮化镓最大的应用场域，手机快充、新能源汽车渗透率高，为技术迭代提供了天然试验田。具体来说，技术推动和市场驱动的双管齐下，对于推动氮化镓新技术的产业化有巨大帮助。

技术推动方面，“和碳化硅主要发力点在晶圆技术和产能不同，目国内目前氮化镓技术发展路线与市场策略匹配度高，专注器件和系统开发能迅速进行市场切入。” 弓小武说道，另外由于在2010年代，国内大力开展了GaN LED研发与扩产，因此这对于GaN功率产业的发展有巨大推动力，因为二者在外延与器件制造技术上有很多通用技术。

在市场驱动方面，消费级电源适配器从2019年开始成为了氮化镓功率器件的第一大市场。几乎所有国内智能手机厂商都适配了氮化镓快充技术。这其中最关键的策略就是——新的技术要第一时间快速的切入市场。

展望在未来一段时间，弓小武认为得益于国内快速壮大的电动车市场，氮化镓功率器件会迅速的切入到大功率应用领域，“下一个氮化镓增量市场会来自汽车工业，特别是OBC应用等相关产业。”

未来展望：全面渗透 30-3300V 市场

综上所述，氮化镓功率器件的商业化进程本质上是材料特性、制造工艺与市场需求协同作用的结果。尽管在热管理、可靠性及专利布局上仍存挑战，但中国凭借完整的产业链体系与政策支持，在蓝宝石衬底成本控制、硅基氮化镓外延技术等领域已实现局部突破。

根据预测，未来氮化镓将全面渗透30-3300V的电力电子市场。在650V以上的市场，6-8英寸的蓝宝石级氮化镓将占主导优势；在650V以下的市场，8-12英寸的硅级氮化镓将占主导优势。 这其中，在600-900V区间内还会与碳化硅形成竞争态势。

正如弓小武在演讲中所言：“氮化镓不是简单的材料替代，而是一场能源转换革命。” 随着第三代半导体技术的成熟，氮化镓正从 “小众创新” 走向 “主流选择”，为全球碳中和目标提供核心技术支撑。