世界氮化镓日定为每年7月31日，源于氮化镓（GaN）的两种组成元素在元素周期表中的排序：氮（N）为第7号元素，镓（Ga）为第31号元素。 这一日期由第三代半导体行业公认，旨在彰显氮化镓作为战略材料的科技地位，表达对其推动现代技术发展的崇高敬意。

碳化硅和氮化镓半导体通常也被称为化合物半导体，因为他们是由选自周期表中的多个元素组成的。下图比较了Si、SiC和GaN材料的性能，这些材料的属性对电子器件的基本性能特点产生重大影响。

 硅、碳化硅，氮化镓三种材料关键特性对比图片来源：英飞凌

SiC MOSFET和GaN HEMT使得功率器件向更大功率、更高频率的方向，进一步发展，且SiC MOSFET的优势在于更大功率，GaN HEMT的优势在于更高频率

2024年的IPF大会上达新半导体副总经理张海涛做了如下对比：

首先来看衬底，硅器件的衬底就是硅，碳化硅的衬底就是碳化硅，但氮化镓它的衬底要么是硅，要么是蓝宝石，再来看整个器件的漂移区，硅的IGBT因为漂移区相对比较厚，既可以使用单晶来制作，也可以使用外延来制作。

但碳化硅的漂移区比较薄，一般使用外延来制作，氮化镓HEMT器件是非常复杂的结构，从整个栅极结构来讲，IGBT和碳化硅都可以采用平面栅或者是沟槽栅来制作，但是氮化镓HEMT器件目前使用的仍然是平面栅极。

再看一下材料到结构的变化，IGBT材料可以是FZ或者MCZ的单晶以及外延，主要是因为它的漂移区比较厚。碳化硅MOSFET是需要在一个高掺杂的衬底上来生长薄的外延漂移区。

但氮化镓HEMT就完全不一样了，以硅衬底为例，我们要在P型111晶向高掺杂衬底上，首先生长一层NL成核层，再生长一层SRL超晶格层，然后再生长一层C-doped碳掺杂层来提高击穿电压，然后再生长一层UID非掺杂层，在非掺杂层上面生长AlGaN层，铝组分一般是25%，在AlGaN层上再生长一层P-GaN层，来形成栅极，这是整个外延结构。大家可以看到氮化镓HEMT器件，材料比晶圆加工工艺更重要，晶圆工艺结构很简单，材料非常复杂。 

根据上述技术特性，我们来看一下GaN在哪些应用市场可能挑战SIC。

1、汽车应用：主驱动逆变器、OBC与DC-DC

当前新能源汽车牵引逆变器通常工作在400V~800V电压等级，SiC器件凭借高耐压和高温性能被广泛采用。碳化硅器件在高转速、高功率密度的高端应用场景下，表现出无可比拟的应用优势。

短路保护能力，短路保护是在电机中一定要有的，IGBT器件可以很轻松的获得5微秒以上的短路，在碳化硅是可以实现大于3微秒。但是，氮化镓器件主流的短路能力仍然低于500ns，这对于目前的应用生态下实现短路保护是非常困难。

GaN在此领域尚处于探索阶段，大功率主驱动短期内仍难以与SiC抗衡。未来如果GaN材料和器件可靠性得到显著提升，其高频特性仍可带来系统级优势。

车载充电器（OBC）与DC-DC转换器是GaN发力的重要领域，已有厂商推出11kW/800V GaN车载充电器设计。GaN在650V及以下电压区间展现出明显的成本与体积优势。
GaN“上车”最大的障碍在于车规级可靠性。中国科学院院士、西电教授郝跃曾经指出，GaN采用异质外延工艺，会带来较多缺陷。需在器件设计中集成完善的自我保护机制，并建立针对GaN的可靠性测试标准。

国家自然科学基金委员会信息科学部主任、中国科学院院士郝跃将在IPF 2025大会做“宽禁带半导体功率器件研究进展”的主题报告（8月21号上午）

2、消费电子领域（快充与电池管理）

GaN功率器件在消费电子快充赛道已得到广泛验证。自2019年OPPO首款基于GaN的智能手机充电器问世以来，GaN在手机、笔记本等高频快充市场迅速普及。英诺赛科的GaN功率器件出货量已突破6.6亿颗，2024年营业收入达到8.28亿元，全球市场份额位居第一。

全球最大的8英寸硅基氮化镓器件制造商英诺赛科董事长骆薇薇讲出席IPF 2025 功率器件支持测试与应用大会。
3、AI服务器电源市场（高频、高功率密度）

面向AI大算力，服务器电源需求功率密度急剧攀升，需要在有限机架空间内实现数千瓦输出并保持超高效率。例如新一代AI服务器要求在CRPS185尺寸下实现3200W输出，其功率密度接近100 W/in³，并必须通过EU钛金(Titanium)效率认证。 

AI工作负载的飙升为数据中心能源管理带来了新的挑战。在此情景下，GaN器件的高频开关与低损耗特性发挥了决定性作用。以纳微半导体(Navitas)推出的基于650V GaN IC的CRPS185 3200W服务器电源方案为例，该方案峰值效率达96.52%。随着AI、边缘计算引发的数据中心扩张，GaN有望在服务器电源内部的DC-DC模块和辅助电源环节挑战SiC甚至主流硅方案。

4、人形机器人

当人形机器人做出类似抓取玻璃杯的精细动作时，手指关节电机需要在0.1秒内完成从静止到500rpm 转速的切换。这要求驱动器件支持更高的PWM（脉冲宽度调制）频率，而GaN FET的开关速度比硅基MOSFET更高。

上海智元作为人形机器人领域领先企业，率先将集成了英诺赛科GaN器件的关节电机驱动应用至机器人，通过GaN技术解决了传统硅基器件在功率密度与控制精度上的瓶颈。目前，智元人形机器人已在脖子、手肘等关键活动关节的3个电机中应用GaN器件，每个电机集成3颗GaN芯片，GaN器件已装配至数百台人形机器人。

5、光储充一体化系统（分布式新能源与并网逆变器）

在太阳能＋储能＋充电（光储充）的一体化能源系统中，GaN正在展现独特价值。

光伏对于器件短路能力是没有需求的，所以氮化镓HEMT器件在这里就可以发挥很大的优势。储能在逆变模式下跟光伏的应用需求基本是一样的。与光伏的主要差异在于储能的充电模式，如果是IGBT，可以直接用FRD作为充电的整流通路，但碳化硅和氮化镓的二极管特性比较差，压降比较高。

如果想获得很高的充电效率，就需要通过同步整流控制方式来替代体二极管。另外，在移动储能上最近两年看到很多氮化镓新的方案发布，氮化镓器件在这个方向有很大的想象空间。

在分布式光伏微网中，GaN可大幅缩小逆变器尺寸并提升动态性能，例如英诺赛科针对微型逆变器领域开发了2kW方案，功率密度达40W/in^3，快速充电能力相比传统设计实现了2倍提升。GaN在提升分布式光储系统性能和可靠性方面具有潜力，为并网逆变器和储能充放电系统注入新动能。

GaN面临的技术挑战：

因为在硅基上外延氮化镓，无论是晶格失配还是热失配，都比碳化硅、蓝宝石要大的多。在这种情况下，怎么能够在低成本的硅衬底上制作出高质量、高可靠的氮化镓功率器件，这就是一个很巨大的挑战。尤其到了高压，因为电压越高就意味着外延生长更厚，氮化镓的外延生长的厚度越厚，这就面临着热应力、还有各种各样的缺陷等需要抑制。

除此之外，无论采用何种器件技术，任何半导体集成电路或场效应晶体管 (FET) 的成本都涉及几个不同参数，其中包括：• 衬底成本• 晶圆制造成本。在晶圆上构建半导体器件的多步流程。• 折旧。每个器件分摊的资金成本。• 每片晶圆产出的芯片数。单片晶圆上的器件裸片数。• 封装。将裸片组装到最终封装所需的材料和成本。• 测试。确保最终器件满足数据表规格所需的成本。• 良率。制造过程中的总体器件良率。

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