近日，全球氮化物半导体产业链迎来关键技术转向：伴随 AI 算力、800V 新能源汽车、大型光伏储能、高压工业传动等大功率场景需求爆发，传统横向平面氮化镓（Lateral GaN）器件性能瓶颈凸显，垂直结构氮化镓（Vertical GaN，vGaN） 成为产业共识下的核心技术路线，海内外科研机构、功率半导体大厂同步加速技术突破与样品送样，正式拉开氮化镓高压化、大功率化新时代序幕。
一、横向 GaN 性能天花板显现，垂直架构破解底层物理局限
当前消费快充、中小型适配器普及的横向 GaN 器件，多采用硅基异质外延方案，电流沿芯片表面横向流动，在 650V 及以下低压场景具备成本与高频优势。但面向 1200V 及以上高压大功率场景时，横向结构存在无法调和的先天短板：提升耐压必须拉长栅漏间距，直接推高芯片面积与导通电阻，大幅削弱 GaN 材料本征性能优势；同时横向电流路径散热路径长、表面陷阱态干扰动态性能，难以适配车载主驱、AI 高密度机柜、电网储能等严苛工况。
垂直GaN器件结构示意图
垂直氮化镓从电流传导底层逻辑完成重构：电流垂直贯穿芯片漂移层，上下电极分置芯片正反面，实现耐压、电流、散热三大性能解耦，核心优势清晰突出：
- 耐压能力无约束提升：击穿电压仅由垂直漂移层厚度决定，无需扩大芯片平面面积，可稳定实现 700V–1200V 乃至万伏级耐压，完美填补横向 GaN 与碳化硅之间的中高压市场空白；
- 功率密度大幅跃升：同等功率下芯片面积仅为横向 GaN 的 1/10，器件寄生电容显著降低，开关损耗较硅 MOSFET 降低 67%，支持 MHz 级超高频率开关，电源整机体积可缩减 90%；
- 散热与可靠性全面优化：热源紧贴底部衬底，热阻大幅降低；GaN 同质外延（GaN-on-GaN）方案将外延缺陷密度降至 10³–10⁵/cm²，抑制高压漏电与器件老化，车规、工业级长期可靠性大幅提升；
- 动态特性更稳定：电流在芯片体内传输，规避表面电荷陷阱带来的导通电阻漂移，适配长时间连续大功率运行场景。
二、海内外技术多点突破，垂直 GaN 产业化进入关键窗口期
近两年垂直氮化镓技术从实验室快速走向工程化验证，国内高校、本土企业与国际功率巨头同步取得里程碑成果：
国内研发实现全球原创突破
山东大学联合华为团队成功研制全球首款 1200V 硅基垂直氮化镓晶体管，开辟低成本硅衬底垂直 GaN 技术路线，打破海外 GaN 同质衬底垄断思路，成果刊登国际功率半导体顶会 ISPSD；广东致能半导体在国际氮化物半导体大会发布全球首创硅基垂直 HEMT 技术，同步实现常开、常关型垂直 GaN 器件，阈值电压最高突破 4V，背面漏极工艺实现超高散热效率，获得全球学界高度认可。
国际大厂推进商用样品交付
安森美（onsemi）率先完成 700V、1200V 垂直 GaN 器件工程化送样，面向 AI 数据中心、车载逆变器客户开放早期样品；NexGen、东芝、日立能源持续迭代垂直 GaN FinFET、CAVET 架构，实验室器件击穿电压突破 10kV，瞄准电网级大功率变流器市场。
产业链配套同步成熟：6 英寸、8 英寸体 GaN 衬底量产工艺持续优化，行业机构预测 2026 年 GaN 衬底价格较 2023 年下降 30%，深沟槽刻蚀、背面金属化等垂直器件专属制造工艺良率稳步爬坡，为 2027 年小批量量产奠定基础。
三、四大核心赛道落地，垂直 GaN 打开氮化镓增量市场
垂直氮化镓精准匹配当下高增长大功率应用，重构第三代半导体市场竞争格局：
- AI 高密度算力数据中心 新一代 GPU 单机功率突破 1000W，机柜功率密度升至百千瓦级别。垂直 GaN 凭借超高开关频率与低损耗，打造 800V 高压直流供电电源，提升机房能效、缩减散热投入，头部云厂商已开启垂直 GaN 电源方案评估导入。
- 800V 高压新能源汽车 车载主驱逆变器、车载充电机（OBC）、高低压 DC-DC 转换器是垂直 GaN 核心落地场景。相较横向 GaN 与 SiC，垂直方案可进一步降低车载电源重量、提升转换效率至 98% 以上，缩短快充时长、延长整车续航，多家车企启动车规级垂直 GaN 器件 AEC-Q101 认证。
- 光伏、储能与新能源电网 组串式逆变器、户用 / 大型储能变流器、风电变流器对 1200V 耐压、大电流、高温稳定性需求强烈。垂直 GaN 可简化无源器件设计，降低储能系统度电损耗，适配分布式光伏、长时储能规模化建设。
- 工业传动、航空航天与特种电源 工业电机驱动器、轨道交通牵引电源、机载高可靠电源场景，依托垂直 GaN 耐高压、抗辐照、高可靠性特性，实现设备轻量化与能效升级。
四、产业挑战与发展展望，垂直 GaN 长期替代空间广阔
当前垂直氮化镓规模化量产仍存在两大核心挑战：一是大尺寸高质量体 GaN 衬底成本偏高，同质外延工艺设备投入较大；二是垂直器件专属深沟槽刻蚀、边缘终端、背面电极制造工艺复杂度高，量产良率仍有提升空间。
行业分析机构预测，随着衬底产能扩充、国产硅基垂直 GaN 异质路线成熟，2027 年垂直氮化镓将在高端车载、AI 电源市场实现小规模商用；至 2030 年，垂直架构将占据高压氮化镓器件 40% 以上市场份额，逐步分流中高压 SiC 市场需求，成为第三代半导体产业第二增长曲线。
业内专家表示，横向 GaN 完成了氮化镓产业从 0 到 1 的普及，而垂直结构氮化镓将实现氮化镓从低压消费电子向高端大功率工业、车载、算力场景的全域渗透，是充分释放氮化镓材料 3.45eV 超宽禁带性能潜力的必经之路。随着国内产学研持续攻坚衬底、外延、器件全链条技术，国产垂直 GaN 有望实现技术弯道超车，完善我国第三代半导体自主可控产业链布局。
