氮化镓并非一个新概念，其分子式GaN，是一种直接能隙的半导体材料，自1990年起常用在发光二极管中。2019年，氮化镓作为第三代半导体的主要材料之一首次进入主流消费应用，并在2020年因小米发布会发布小米GaN充电器而引发广泛关注。

市场调研机构Yole Development预测称，若未来苹果等头部手机厂商采用GaN，那么到2023年，GaN电源市场规模将达到4.23亿美元，复合年均增长率达93％，有极大增长空间。需要注意的是，氮化镓的应用领域远不止消费电子领域，消费类、汽车类与工业类是未来重点投入方向。

凭借开关速度快、功率密度高、耐高压、高频等特点，氮化镓的市场接受度和行业景气度正在迅速攀升。

氮化镓的“上车”机会

近年来，氮化镓器件通过性能优化、产能提升、成本控制，逐渐应用于消费领域，快充尤其成为氮化镓在消费市场的引爆点。相比传统硅器件，氮化镓快充能够显著提升充电速度，并降低系统待机状态的电量消耗。除了手机充电器，平面电视、游戏机、平板等追求轻量化的紧凑型终端，也为氮化镓器件提供了每年20亿美元的销售规模。

随着汽车电动化、5G通信、物联网市场的不断增长，基于氮化镓的产品应用正逐步拓展，将推动2021年及未来功率半导体的需求增长。在电动化对功率器件要求越来越高的背景下，未来在汽车产业上，将有更多的第三代半导体器件出现。

目前，在特斯拉的的领头效应下，全球范围内已有不少车企和tier1企业布局基于SiC的车用第三代半导体功率器件。

汽车电子被预测是氮化镓的下一个蓝海市场 —— 在尝到消费领域快充的甜头后，在电动车快速成长，以及提高充电效率需求的带动下，GaN功率器件厂商也开始积极开发汽车领域。利用氮化镓可以将汽车的车载充电器（OBC）、DC-DC转换器做得更小更轻，从而有空间放入更多的锂电池，提升整车续航里程。

如果GaN能以较低的价格进入，且能够证明其可靠性和高电流能力，未来将可以打入更具挑战性的驱动系统，这一趋势可能为其创造出更显著的价值。

根据Yole预测，从2022年开始预计氮化镓以小量渗透到OBC和DC-DC转换器等应用中。因此到2026年，汽车和移动市场价值将超过1.55亿美元，年复合成长率达185%。

从2021年开始，随着大多数车企开始准备800V系统，SiC的用量马上要进入爆发期，接下来的GaN的使用估计很快能在DC-DC和OBC上看得到。GaN在汽车上的应用可能如Yole所预期的一样，在将来的2-3年落地。

汽车是最具前途的应用领域之一

汽车被认为是氮化镓最有前途的应用领域之一。在2019东京车展上，丰田汽车曾展出一款与他方共同研发的all-GaN概念车。据介绍，该款车配装使用氮化镓元器件的高效逆变器，能使二氧化碳减排至少20％。

随着电动化、智能化的发展，今天的汽车比以往任何时候都集成了更多的电力系统。随着这一需求的出现，电气工程师需要创新技术与成本上都可行的新设计——重量轻、结构紧凑、耐久性强的系统，这样汽车的性能才不会受到影响。为此，一些车企的解决方案转向氮化镓场效应晶体管（GaN FET）。

据介绍，氮化镓将在新能源汽车领域开启新天地，主要有三种应用：车载充电器，用于给高压电池充电；DC/DC转换器，将来自高压电池的电力转换给汽车上其他电子设备；牵引驱动或电机控制，可以用于驱动电机。

Alex Zahabizadeh进一步解释道，工程师可以利用氮化镓使混合动力和电动汽车达到现有解决方案两倍的功率密度，使得充电速度更快，运行更稳定可靠并且车载充电系统效率更高。氮化镓较低的开关损耗可以提高效率，从而减轻车载散热系统的负担并增加电动汽车的续驶里程。

此外，氮化镓场效应晶体管更高的工作频率，还可将功率磁性器件的尺寸减小约60％，从而降低系统成本并提高整体功率密度。基于氮化镓在600～650V额定设备上更加优良的开关性能，其最直接的应用将是汽车高压DC/DC转换器和车载AC/DC充电器。

2023年有望配装量产车

虽然预测未来总是困难的，但Alex Zahabizadeh表示，相信在今后10～20年，氮化镓将会得到更广泛的应用。现阶段，氮化镓设备多用于USB充电器。下一步，这些充电器不仅会被投放到零部件市场进行销售，而且会成为未来平板电脑和笔记本电脑充电器的标配。

据悉，使用氮化镓的服务器、计算机和工业电源已投入使用，预计到2022年和2023年将取得更广泛的商业应用。而氮化镓在机器人和电机驱动器等其他工业市场也会同期被更广泛地投入商业市场之中。

在汽车领域，车企正在尝试将氮化镓用于未来的车载充电器和高压直流转换器中，预计量产车最快将在2023年有可能搭载氮化镓元器件。如果车企的判断准确，那么2024～2026年，更经济实用的电动汽车数量的增加将带动氮化镓元器件获得更广泛的应用。

水原德健告诉记者，当提高频率来实现电源小型化的市场需求不断增长，氮化镓元器件就会上量。

氮化镓在汽车领域的优势

随着电动化、智能化的发展，今天的汽车比以往任何时候都集成了更多的电力系统。与传统硅材料相比，基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率输出密度和更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量。

另一方面，新能源汽车市场的爆发式增长，未来在新能源汽车市场GaN也将迎来属于自己的一席之地，预计到2025年电动汽车中氮化镓芯片市场机会每年总值将超过25亿美元。

行业人士指出，氮化镓上车，带来的好处有几个方面，一个是充电时间减少了60%，原来的车载充电器没有相应的标准，在相同的体积内，我们把原来的6.6千瓦功率升级到了22千瓦，让整个充电速度提升了3倍，而车载充电器的体积和重量不会影响到本身车的重量。

此外，氮化镓在双向电路中扮演了非常重要的角色，经测算，在逆变器上，相比硅基功率器件，氮化镓能节能70%，可增加5%的续航。在同等体积下面，车载充电器的重量可以大幅度下降，以及提高效率，在逆变的过程中，在消耗电路上的能耗会下降，在这两个基础上，车重可以维持在相对较轻的重量，同时提升了逆变效率，可以有效地增加车的续航里程。

因此可以看到，氮化镓对汽车充电、续航等方面提升的充电器、逆变器等零部件上应用效果会更突出，或将率先在车上搭载。通过氮化镓，可以快速提高续航里程，提高充电体验，来加速整个电动汽车行业的发展。

目前来看，GaN器件在应用中主要包括48V系统的功率电子、车载充电机和DCDC，将来可以扩展到逆变器。而无线充电、手机无线充电和激光雷达都可能会用到这个。

车用氮化镓存在的挑战

尽管新能源汽车对于GaN而言是一个具有未来的全新应用场景，但是如今依然面临着挑战。在新能源汽车领域，GaN面临最大的挑战在于，由于车规级认证过程较慢，对器件的可靠性和安全性要求较高，并且GaN要同时面临硅器件和SiC器件的竞争。

同时，由于硅基GaN功率器件的工作电压较低，而耐高压的SiC基GaN功率器件又比较贵，Yole预估GaN功率器件要到2025年后，才有可能在电动车上进行部署。

因此只有GaN做得足够好、成本足够低，才可以有较强的竞争力，否则难以进行大规模应用和普及。

车用氮化镓主要存在四方面挑战：

· 车用领域的功率要求波动较大，需要在所有工况下，保持器件参数的长期稳定；

· 车规功率器件长期处于高振动、高湿度、高温度的工作环境，要求器件在应对热应力和机械应力的过程中有着极高的可靠性；

· 车在装备过程中，在体积重量和制造成本上都有严格的要求，功率器件必须契合汽车装备本身的需要；

· 车规器件需要做到15年到20年的使用寿命，技术门槛很高。

尽管困难重重，与传统硅功率器件以及碳化硅相比，GaN凭借其特有的优势，未来依然有望得到大规模应用。目前GaN在新能源汽车中应用尚未大规模起量，但仍是一个具有潜力的应用方向。

氮化镓芯片即将取代硅芯片

随着芯片制程的不断突破，已经在向4nm，3nm甚至更先进的1nm发起探索，但物理极限终会成为一道束缚。到时候硅基芯片到达尽头，可能人类科技也会陷入迟缓。

因此探究新工艺，新材料成为备受瞩目的热门话题。但真的有可能在硅基芯片之外取得新材料的突破吗？答案是有可能。

中国企业英诺赛科（苏州）半导体有限公司实现巨大突破，在硅基氮化镓材料上完成量产。英诺赛科已经建立起8英寸硅基氮化镓量产生产线，这也意味着不仅取得了新材料的攻克，而且进入到了量产阶段。

根据资料显示，硅基氮化镓芯片量产生产线建成之后，可实现年产值100亿，年产能也可以达到78万片硅基氮化镓芯片晶圆。

这是世界上首座氮化镓芯片量产项目，在中企的攻克下，对国产芯片的发展都会带来巨大的意义。

现如今业内正不断探索传统硅基芯片之外的新材料，新工艺。此前中科院研究的8英寸石墨烯晶圆就在半导体领域取得了显著进步，由于未实现量产，因此石墨烯制成的碳基芯片还处在研究阶段。

但氮化镓芯片则不同，英诺赛科已经立项建设生产线，将氮化镓推广量产。

文章来源：电子产品世界，中国汽车报，趣味科技秀