芯耀
与非AI
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提起氮化镓，大众最熟悉的印象，就是手机快充里那颗小巧的核心芯片。
凭借优异的高频低损耗特性，它能将65W大功率压缩进巴掌大小的充电器中，在650V以下低压场景里，把开关频率与导通损耗的性能优势发挥到极致，彻底革新了消费快充市场。
但近日山东大学刘超团队联合远山半导体发表于IEEE EDL的最新成果，改写了氮化镓的性能边界与应用格局。
团队依托自研极化超结（PSJ）技术，打造出1800V耐压、20A级大电流、增强型常关（E-mode）的高压GaN器件，实现4.6 mΩ·cm²超低比导通电阻、785 MW/cm²超高巴利加优值（BFOM）。
这一组亮眼参数，不只是简单的“国产技术破纪录”，更核心的价值在于一次性解决了高压氮化镓多年的三大死穴：耐压上不去、常态关不紧、高压下容易局部击穿，从底层扫清了氮化镓进军中高压工业市场的核心障碍。
业内一直存在一个片面认知：GaN材料临界场强极高，天然适配高压场景。但这一说法并不完整，无法解释横向GaN HEMT器件的量产瓶颈。
我们目前商用的横向氮化镓器件，结构上有一个致命短板：它的导电通道（二维电子气）可以顺畅跑大电流，但是器件内部栅极到漏极的过渡区域（漂移区）极不稳定。
这就导致高压工作时，电力不会均匀分布，反而会像水流挤过细针尖一样，全部集中在栅极边缘，形成极强的局部电场，也就是“刀尖式电场畸变”。一旦电压稍高，这个点位就会率先被击穿烧毁，直接锁死了氮化镓的耐压上限。
为了修补这个缺陷，过去行业只能用“笨办法”：通过加大芯片面积、增加外置防护结构来分散电场。但这种补救方式治标不治本，不仅工序变复杂、生产良率下降、成本大幅上涨，还会带来额外的电路寄生干扰，始终做不到“耐压高、损耗低、成本可控”三者兼顾。
在传统硅芯片时代，行业有一套成熟解决方案，就是超结技术。简单理解就是在芯片内部交替排布正负导电柱，把扎堆的电场强行拉平、分散，完美解决高压击穿问题。
但这套成熟方案，在氮化镓材料上完全行不通。
核心原因是氮化镓的掺杂工艺难度极高，无法精准可控地做出稳定的正负导电结构，照搬硅芯片的改良思路彻底走不通，这也让高压氮化镓的技术迭代长期陷入停滞。
本次突破的核心精髓，就是极化超结（PSJ）技术的颠覆性创新落地。团队彻底放弃了传统的人工掺杂改造思路，学会“借力材料本身的特性”。
氮化镓与铝镓氮组成的复合层（异质结），天生自带极化电荷的物理特性，不需要人工掺杂改造，材料上下界面会自动生成两层相反的电荷层：二维空穴气和二维电子气。通俗来说，就是芯片自己会长出天然的正负电荷交替结构，完美替代了硅芯片人工搭建的超结结构。
当器件需要关断耐压时，芯片会自动抽离多余载流子，整片高压区域会依靠材料自带的极化电荷稳定工作，原本扎堆尖锐的电场会被彻底“熨平”，均匀分布在整个区域。
这种改良和以往的外挂防护结构完全不同：它不是给芯片“贴创可贴”式的表面修补，而是挖掘材料天生的物理属性，从根源解决高压电场集中问题，破解了高压氮化镓易击穿的行业难题。
虽然PSJ极化超结技术思路很巧妙，但过去一直有一个致命的落地短板，导致它只能停留在实验室：传统PSJ结构只能适配“常开型氮化镓器件”。
通俗解释就是，这种芯片常态下是一直通电导通的，想要断电关闭，必须额外施加反向负压才能强制关断。实验室环境可以轻松实现，但放到真实工业设备中，就是巨大的安全隐患。
像新能源车电驱、光伏逆变器、数据中心电源这类核心设备，有一条绝对底线：断电必须彻底断开，杜绝失控风险。
如果用常开型芯片，设备必须额外加装一套负压供电电路、强化防护模块，不仅让设备结构更复杂、硬件成本更高，还会大幅增加电路误触发、设备失控的概率，这也是高压氮化镓长期无法大规模工业化应用的核心原因之一。
本次产学研联合突破的关键价值，在于实现了PSJ耐压结构与p-GaN常关结构的完美兼容、互不制衡。
团队通过工艺与结构协同设计，利用p-GaN栅极将器件阈值电压抬升至正值，稳定实现增强型常关特性；同时依托PSJ结构抹平栅漏区电场畸变，一举将器件耐压提升至1800V，同步解决了“高压耐受”与“安全常关”两大行业痛点，彻底摒弃了传统方案“先补耐压、再修常关”的拼凑式优化逻辑。
从系统应用维度来看，E-mode常关特性带来的升级堪称颠覆性。器件可实现0V关断、正压开通，无需标配负压驱动电路，大幅简化驱动IC设计、缩减隔离电源配置、降低死区控制难度，在压缩整机成本、减小设备体积的同时，显著提升了电力系统的稳定性与安全性。
即便在大功率高抗扰需求场景下，可选配的负压增强方案也能保留拓展空间，兼顾实用性与兼容性。
再看两组核心硬核参数：4.6 mΩ·cm²的比导通电阻、785 MW/cm²的巴利加优值，真正体现了技术的核心竞争力。
巴利加优值作为功率器件核心评价指标，代表了耐压与导通损耗的权衡上限，数值越高，器件综合性能越强。在20A级大电流E-mode GaN器件中，该指标稳居行业头部水平，证明本次突破绝非依靠扩大芯片面积、并联单元实现的“虚标性能”，而是实打实拓宽了GaN器件“耐压-导通损耗”的性能权衡边界，实现了单位面积性能的极致突破。
横向GaN器件本身具备高频天然优势，无体二极管反向恢复损耗，输出电容Qoss比同等级硅超结器件低一个数量级，是高频半桥拓扑的最优选型之一。
1800V耐压的突破，更是让GaN彻底跳出低压快充赛道，强势切入SiC MOSFET、IGBT长期垄断的中高压核心领域：800V整车高压平台、1500V光伏组串逆变系统、AI机柜48V/12V大功率母线转换场景，从此多了一款开关速度更快、磁性元件体积更小、散热负荷更低、功率密度更高的优质选型。
*(a) 所制备的增强型PSJ-HEMT在线性坐标下的转移特性曲线；(b) 对数坐标下的转移特性曲线。(c) 增强型PSJ-HEMT的变温转移特性曲线。(d) 增强型PSJ-HEMT的输出I-V特性曲线。
除了结构创新，本次成果的产业落地潜力同样值得关注。远山半导体将PSJ技术与蓝宝石衬底结合，仅需1μm级超薄外延即可实现1800V高耐压，大幅降低外延工艺难度与生产成本。同时，其依托成套引进的日本外延与器件闭环研发体系，搭配河合弘治技术团队的工艺积淀，补齐了高压GaN产业化的核心短板。
因为中高压第三代半导体的竞争，从来不是单一论文级的结构创新，而是全链条工艺Know-how的比拼：极化电荷的精准可控、p-GaN栅极界面散射抑制、PSJ区载流子浓度精准匹配、大尺寸晶圆量产良率把控，每一项都是产业化落地的关键。
本次高校负责前沿结构创新、企业承接材料外延与量产闭环的产学研模式，远比单一实验室流片成果更具备产业落地价值与行业引领性。
客观来看，这项技术仍处于实验室突破阶段，距离车规级规模化应用仍有一段距离。
当前20A电流为单芯片直流测试性能，落地车载主驱场景，还需攻克动态导通电阻崩塌、高dV/dt工况下米勒误导通、栅极长期偏压老化退化、封装寄生电感与高压关断尖峰制衡等工程难题。同时，E-mode GaN阈值电压偏低的固有问题并未彻底根除，后续驱动IC仍需向高CMTI抗干扰、可适配负压、精细化死区控制方向迭代优化。
但不可否认的是，本次突破的真正意义，不在于“GaN突破1800V耐压”的表层成果，而是开辟了一条与SiC错位竞争的全新进化路径。
SiC器件依靠体块材料硬扛高压、靠材质优势突破性能上限，而国产GaN走出了差异化路线：依托异质结极化效应，将传统超结的电荷补偿功能转化为材料本征属性，再通过E-mode常关设计锚定系统安全底线，彻底重构了高压GaN的技术逻辑。
随着PSJ-E-mode技术成功撕开1200V–1800V中高压市场的缺口，原本被SiC、IGBT牢牢占据的工业功率、车载电力、算力电源赛道迎来变局。GaN的产业叙事彻底改写，不再是局限于消费电子的“低压快充之王”，正式跻身中高压高频功率器件的核心竞争者。
然而，氮化镓的高压故事讲到这里，其实还没到分胜负的章节。
1800 V、20 A、E-mode、4.6 mΩ·cm²、BFOM 785 MW/cm²，这组数在学术坐标里是PSJ与p-GaN栅第一次被校企联合流片验证到安培级输出，证明“极化电荷补偿 + 常关栅”可以不在驱动端妥协的前提下把横向HEMT的耐压天花板往上推一档。
但在产业坐标里，它目前仍是一颗论文器件：单芯片直流能力、实验室击穿曲线、静态Rds(on) 和BFOM，都还没经过动态 Rds(on) 退化、高dV/dt米勒导通、栅偏应力老化、封装寄生与1800 V关断尖峰这几道车规与工规的筛子。
横向GaN与SiC的竞争边界也远没划清：1200–1800 V这一段，SiC MOSFET吃的是体材料纵向耐压和成熟模块生态，GaN吃的是异质结高频低Qoss和功率密度，两者更像是电源架构重选时的不同解，而非谁替代谁。
山大与远山真正交出来的，是一份“PSJ-E-mode 这条路在1800 V上走得通”的工艺—结构闭环样本，蓝宝石基1μm级外延、自有MOCVD、极化电荷匹配这些Know-how比单篇EDL数字更难复制。
至于它能否从晶圆上的20A走成产线里的车规料号，取决于下一代样本把开关损耗、鲁棒性和10⁹ 次循环寿命一并交出来。
GaN的高压时代，从来不是一蹴而就的产业变革，而是一次次底层技术迭代的积累：电场畸变难题被极化效应破解、高压器件摆脱负压依赖、耐压与导通损耗的权衡极限持续突破，再加上产业端外延、封装、驱动技术的协同承接。
高压GaN的叙事不该停在“破纪录”那一秒，而该看电场被极化电荷抚平之后，剩下的那些工程问题有没有被接着答完。
