功率半導體材料三大代表，誰的“事業”發展得最好？

Omdia 預測，隨著電動汽車 (EV) 革命的到來，新型半導體將出現爆炸式增長，而功率半導體行業數十年的傳統規范也將受到挑戰。AI 的興起是否會有類似的影響？

Omdia 半導體研究元件高級分析師 Callum Middleton 表示：“對于長期依賴于硅技術的行業，新材料制成的器件既能帶來挑戰，也能起到推動作用。氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率器件的開發始于上個世紀，但它們的技術成熟度順應了可持續發展趨勢，用新材料制造的器件為我們這個能源匱乏的世界帶來顯著的效率提升。”

特斯拉已于 2018 年首次采用多個 SiC 器件。該技術由此從實驗室和試驗設計躍升為主流。電動車市場自此開始起飛，而這些技術對充電速度和續航里程的提升大有裨益，采用這些技術的汽車制造商更與日俱增。

這一早期采用SiC的案例證實了SiC 在現實世界的效能和可靠程度。而氮化鎵（GaN）在手機和筆記本電腦充電器中的應用也取得了類似的效果。隨著 AI 的蓬勃發展，它將給我們的能源供應和分配系統帶來額外的壓力。為使行業充分享受到AI 的好處，并以可持續的方式利用AI，我們必須確保效率最大化，但這并不一定要以犧牲盈利能力為代價。在數據中心的電源中采用 SiC 或 GaN 解決方案可以顯著降低能耗，同時為額外的計算能力釋放空間。


功率器件的材料演進之路

硅作為最常用的半導體材料之一，占據了功率器件市場的主導地位。它的主要優點是資源豐富、工藝成熟和成本較低。然而，這一材料的電子遷移率較低，耐壓和頻率上限也相對有限，限制了其在某些高端應用中的使用。

碳化硅（SiC）以其寬禁帶特性逐漸在高功率和高溫場合受到歡迎。其高耐受電壓、低導通損耗和良好的高溫性能使其在許多應用中具有優勢，正在逐漸蠶食硅的市場份額。但相對較高的成本則是其普及的一大障礙。

氮化鎵也是一種寬帶隙半導體材料，GaN優點是高電子遷移率，低導通損耗，適合高頻應用。但缺點是制造工藝復雜，成本相對較高。

目前市面上主要采用上述這幾種材料來制造功率器件，但與此同時，行業也正在不斷探索新型材料。尤其是氧化鎵和金剛石，這兩種材料正在受到越來越多的關注。

氧化鎵，作為一種相對較新的半導體材料，相比碳化硅、氮化鎵具有更寬的禁帶寬度（約 4.9eV 禁帶寬度），以及具有 8MV/cm 的理論臨界擊穿場強。其高擊穿電場和較低的損耗顯示出巨大的潛力，但由于制造工藝相對不成熟，目前其應用仍處于探索階段。未來，氧化鎵有望在高壓和高效的功率轉換系統中找到其位置。

金剛石被認為是終極半導體，因為它在許多方面的性能優于市場上的舊材料（如硅、砷化鎵）和新材料（如氮化鎵和碳化硅）。與其他半導體材料相比，金剛石具有獨特的優勢：

極高的熱導率、優異的電絕緣性能和高溫穩定性：金剛石是一種在高溫下穩定的材料，其電性能在超過2000°C的溫度下不會惡化，遠超其他半導體材料。

卓越的電氣性能：金剛石的臨界電場比硅高30倍，比碳化硅高3倍。與大多數半導體不同，金剛石的電阻率隨溫度升高而降低，這使其在高溫環境中表現出色。

超高電流密度和電壓：與硅相比，金剛石的電流密度高出5000倍，電壓高出30倍。這使其能夠在高溫和輻射的惡劣環境下工作，適用于極端條件下的應用。

廣泛的應用潛力：盡管制造工藝復雜且成本高昂，金剛石在高溫、高壓和高功率的極端環境中的潛力仍然巨大。其應用范圍涵蓋了電動汽車、具有20年長壽命電池的物聯網、使用硬化電子元件或探測器的核能和空間應用，以及用于自動駕駛汽車的超精確量子傳感器等領域。

碳化硅如日中天

氮化鎵增速緩慢

碳化硅已進入全面增長階段，汽車應用的全面采用預計將成為3年起市場快速增長的關鍵；氮化鎵目前主要用于LED和LD等照明應用以及高頻功率器件應用上具備優異特性，而現在它的問題在于大容量的大規模供應，GaN-on-GaN器件正在高速發展；與碳化硅相比，氧化鎵的性能和成本更具潛力，市場玩家數量正在激增，雖然短期研究結果相繼發布，但它依然是后來者，并且在摻雜和制備上具有一定問題；氮化鋁受深紫外LED、照明影響獲得穩固需求提升；金剛石則在快速增長，日本相關廠商正通過IPO籌集資金以提高產能，雖然它是功率半導體的終極追求，但它在摻雜上擁有不小的問題，還在研究之中。

以上研判結論不難看出，碳化硅不僅是現在增長最為迅速的，也是當下產業化階段走得最順暢的那一個，市場一片欣欣向榮之勢，而氮化鎵雖然也在增加，但整體增速并不像碳化硅那樣快。

Yole在8月28日發布的報告也有著類似的趨勢。

Yole報告顯示，隨著8英寸時代到來，受到200多億美元的投資推動，碳化硅（SiC）功率器件市場將在2028年達到90億美元。其中，汽車市場占比達到74%，其次則是工業、能源、運輸、電信和消費，分別占比14%、8%、3%、0.3%、0.1%。

市場增長由三方面驅動：一是電動汽車（BEV）中800V電動汽車（EV）是碳化硅加速關鍵點；二是電動汽車直流充電（DC）與xEV（帶有電動動力系統的車輛HEV與BEV）中，大功率模塊化充電器會帶來十億美元的碳化硅市場；三是能源領域在2022年~2028年裝機量不斷攀升，價值數億美元的市場即將形成。

GaN市場則在2028年達到20.8億美元，消費領域本就擁有大量快充市場，2022年~2028年復合增長率保持44%；汽車和通信是GaN兩大高速增長市場，汽車領域ADAS汽車LiDAR正在利用100V GaN器件，此外，在動力總成中采用氮化鎵已經從可行性問題演變為時間問題，近十年來多數廠商一直專注于車載充電器（OBC）和DC/DC領域展開合作。

整體上來看，2022年，包括分立式器件和模塊在內的功率半導體市場總規模可達209億美元，預計2028年這一市場將增長到333億美元。其中，分立式器件市場將從2022年的143億美元，增長到2028年的185億美元；模塊市場也至2028年則會達到148億美元。

Yole在報告中強調，他們發現一些在氮化鎵方面發力的廠商放緩了研發的腳步，以待市場增長后再進一步加大投資。