摘要：基于此，复合材料与创新架构逐渐成为改善器件性能的关键手段，氮化镓（GaN）凭借高电子迁移率和开关速度的优势，在低功耗和部分高压应用中展现出强大的竞争力。

随着功率器件需求在不同应用场景中的快速增长，单一材料的解决方案已经无法满足电压和电流范围的全面要求。

基于此，复合材料与创新架构逐渐成为改善器件性能的关键手段，氮化镓（GaN）凭借高电子迁移率和开关速度的优势，在低功耗和部分高压应用中展现出强大的竞争力。

通过与硅（Si）和碳化硅（SiC）等材料的结合，GaN 器件架构的改进正在推动电力电子领域的革命性进展，我们一起探讨基于 GaN 的新型架构在提升击穿电压、降低功耗和适应高功率密度等方面的创新进展及其在多样化应用场景中的潜力。

GaN与其他材料的集成应用

GaN 与硅的协同优化

氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）具有低导通电阻和高开关速度的特点，特别适合于低电压和高频率应用。然而，在高压场景下，单一 GaN 器件性能不足，因此通过与硅基 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的结合可以实现性能互补。

例如，Cambridge GaN Devices 的“ICeGaN”模块结合 GaN HEMT 和硅 IGBT，不仅增强了牵引逆变器在低负载状态下的效率，还大幅降低了寄生损耗。这种架构能够在电动汽车等长时间运行于低负载状态的应用中展现显著优势。

GaN与SiC的联合提升

与硅相比，碳化硅（SiC）因其高击穿电压和低功耗的特性，在高功率场景中表现更佳。

香港科技大学的研究提出，将低压 GaN HEMT 与高压 SiC JFET（结型场效应晶体管）相结合，形成两级共源共栅器件。

这种组合架构利用 GaN 的高开关速度和 SiC 的高电压承载能力，不仅实现了极低的寄生损耗，还显著提升了整体系统效率。特别是在工业电源转换器和新能源汽车充电系统中，这种集成设计为应对宽电压范围需求提供了可行的解决方案。

GaN与其他半导体的混合拓展

加州大学圣巴巴拉分校的研究展示了另一种结合 GaN 和低压硅 MOSFET 的混合架构，这种器件实现了 1,200V 的高额定电压和 170A 的高电流传输能力。

通过蓝宝石衬底上的 GaN 工艺优化，该器件展现了更高的可靠性和隔离性能，适用于更苛刻的电力环境，如航空航天和工业自动化。

创新 GaN 器件架构的突破

横向 GaN 设计的击穿电压优化

横向 HEMT 的击穿电压提升一直是实现高压应用的关键挑战。

香港科技大学的研究通过增加硅掺杂的 n-GaN 层，有效解决了传统 p-GaN HEMT 在瞬态电压下的可靠性问题，设计实现了高达 1,500V 的瞬态承受能力，为高压电源控制提供了坚实保障。

通过引入超结 GaN HEMT 结构，利用交替的 p-GaN 和 2DEG 材料条纹优化电场分布，使器件击穿电压超过 10kV，进一步扩展了 GaN 在极高压场景下的应用潜力。

垂直GaN架构的高功率密度实现

垂直器件架构因其高功率密度和更优的散热性能而备受关注。

斯坦福大学提出的环绕栅极电流孔径垂直电子晶体管（WG-CAVET）通过增加垂直重复结构，实现了更高的电流处理能力。

与此同时，松下工程师通过在传统 GaN JFET 中融入屏蔽结构，降低了寄生电容并将开关速度提升近一倍。这些进展表明，垂直 GaN 器件在小型化和高功率场景中的应用潜力巨大。

晶体方向和材料质量的协同优化

丰田研究团队提出的基于 m 平面流动电流的 GaN MOSFET 设计，克服了 c 平面在高温环境下的性能波动问题。

通过结合 AlN 夹层优化界面陷阱，这种设计成功实现了超过 180 cm²/V-sec 的高迁移率，为电动汽车和航空航天等要求高温稳定性的应用奠定了基础。

GaN市场，迅速拓展

氮化镓，作为第三代半导体材料的佼佼者，实际上早已在LED照明和激光显示等显示技术领域占据重要地位。近年来，凭借其卓越的击穿电场、热导率、电子饱和率和耐辐射性等特性，氮化镓在半导体功率器件领域的应用前景愈发受到行业关注。

凭借上述特性优势，氮化镓技术在智能设备快充领域率先得到广泛应用。

早在2014年，世界上最早的氮化镓充电芯片出现。十年来，氮化镓充电器已逐渐成为更多人的选择。

根据英诺赛科招股书显示，氮化镓功率半导体市场将实现指数级增长，从2024年的32.28亿元人民币增长至2028年的501.42亿元人民币，预计复合年增长率达到98.5%。特别是在消费电子领域，氮化镓功率半导体市场的增长预期尤为显著，预计从2024年的24.66亿元人民币增长至2028年的211.33亿元人民币，复合年增长率为71.1%。

全球氮化镓功率半导体市场规模

（资料来源：英诺赛科招股书）

在主导消费电子快充市场之后，氮化镓功率器件在数据中心、汽车和储能领域也已经逐步开始渗透，迎来市场的拐点与转型。

GaN，上车进展

随着新能源汽车和自动驾驶技术的发展，对高效能、高密度的功率电子器件的需求日益增长。GaN作为一种新兴的半导体材料，因其优异的电子特性和潜在的系统成本优势，在汽车市场中展现出巨大的商业潜力。

首先，GaN功率器件可以用于电动汽车的功率电子变流器中，例如充电器和转换器。汽车行业热衷于将GaN电源IC用于逆变器模块，因为它比SiC更便宜，也热衷于将GaN电源IC用于车载电池充电器(OBC)和从电池到车辆中不同应用的各种DC-DC转换。

与传统的硅器件相比，GaN器件可以实现更紧凑的设计和更高的功率密度，这对于电动汽车来说意味着更轻量化的动力系统和更高的能效。

除了在动力系统中的应用，GaN在汽车激光雷达领域也展现出巨大的潜力。激光雷达是自动驾驶技术的关键组成部分，GaN器件的高效率和紧凑尺寸使其成为激光雷达系统的理想选择。

与早期激光雷达产品相比，GaN器件的开关速度大幅提升，脉冲宽度缩小至原来的1/5。采用窄脉冲、大峰值电流、高功率的氮化镓可以为激光雷达提供更优越的性能支持。

同时，GaN技术也可以应用于电动汽车充电桩中，用于提供高效、高功率密度的电能转换。GaN功率器件可以实现充电桩的小型化设计和高效率的电能传输，从而提升充电效率和用户体验。

数据中心，GaN持续深耕

数据中心领域也是近几年GaN厂商重点耕耘的方向之一。从相关厂商的进展可见，GaN在数据中心电源市场的应用已经迈出了一大步，而AI技术的兴起为该市场再添了一把火。

因为伴随着AI的蓬勃发展，依托传统工作负载量所规划的数据中心基础构架正面临巨大压力，对电力的需求也高速增长。

2015–2030年数据中心预计用电量

（图源：IEA）

据数据显示，2023年数据中心的耗电量达到500TWhr，相当于全球能耗的2%，而这个数字还在不断攀升，预计到2030年数据中心的耗电量将占到全球能耗的7%。因此，依靠当前数据中心所采用的电力转换及分配技术，已难以满足来自云计算及机器学习的运算需求，面对更庞大能源的生成式AI应用，数据中心运营商正急迫地寻找创新电力解决方案。

近年来，快速发展的GaN功率半导体已经成为数据中心优化能源效率的关键技术之一，吸引了大批GaN玩家加入布局阵列。

储能市场，GaN逐渐渗透

GaN技术不断地优化，向高压大功率应用的延伸，显然会带来更大的市场空间。

如今，各行各业都在追求“效率”、“能效”，更高的效率意味着更高的功率密度，与此同时，未来人们对电力资源的依赖性将大幅上升，消耗量也将随之增长。因此，发展高效率的功率开关器件，降低电能在产生、传输等各环节的损耗，是社会经济向节能、环保、绿色发展转变的必然趋势。

在双碳要求下，新能源如风能、光伏等应用成为绿色发展的关键，但由于自然资源的不确定性，在新能源的存储和利用过程中，需要储能系统进行波峰和波谷的调配，从而改善系统波动性和不确定性。氮化镓作为半导体领域的明星材料，具备更高频率、更低损耗的优势，能够更好地提升转换效率和能源利用效率，在储能领域扮演着越来越重要的角色。

其中，太阳能微型逆变器也是GaN高压大功率应用的一个目标市场。

在分布式电网装置中，为每个独立的太阳能电池板配置一个微型逆变器，然后在为房屋供电或为电网供电之前再将交流电“组合”起来，已经成为了未来的技术趋势。GaN器件带来的小型化和经济性，恰好能够满足这一新的设计需求。

在户外电源应用中，与传统户外电源相比，GaN户外电源可以在提高户外电源的寿命和可靠性的同时，降低电源体积，方便携带。

在固态电池领域，GaN作为电极材料，可以提高固态电池的充放电效率。由于其优良的电导性和电子迁移率，GaN可以促进电子在电池内的快速移动，从而加快充电速度并提高放电效率。此外，由于GaN具有高能量密度的特性，它可以帮助减少固态电池的体积和重量。这对于需要轻便电源的应用领域优势显著，如便携式电子产品和无人机。

综合来看，储能系统采用GaN，一方面可以提升效率，降低损耗，实现无风散热，节省风扇，从而提升系统可靠性和寿命；另一方面还能提升开关频率，减小感性和容性等无源器件尺寸，构建更小、更轻的产品。

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来源：宽禁带联盟