關于功率半導體，材料才是最卷的賽道，三代和四代不相上下？

功率半導體是一個很卷的市場，現在，材料無疑是最大的賽點。

現在廠商都在不斷向高功率密度、低靜態電流、高定制以及高智能方向發展，而從過去到現在的功率半導體市場來看，無論是結構，還是集成程度，廠商都已做到極致，作為對制程敏感度更低的功率IC，材料成為成倍加強功率半導體的神兵利器。所以廠商才不遺余力地投入在SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等第三代半導體和Ga2O3（氧化鎵）、金剛石等第四代半導體上。


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。


碳化硅爬坡，氮化鎵增緩

8月28日，矢野研究所的數據顯示，寬禁帶半導體作為硅的替代材料，越來越多地用于功率半導體，2022年全球寬禁帶半導體（基于制造商出貨量）約為182.71億日元，2023年則為268.85億日元，同比增長47.1%。

從不同材料來看，碳化硅（SiC）市場預計為202.93億日元（占比75.5%），氮化鎵（GaN）為46.47億日元（占比17.3%），氧化鎵（Ga3O2）為5.31億日元（占比2%），氮化鋁（AlN）為10.8億日元（占比4%），金剛石為3.35億日元（占比1.2%）。

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。

以電子工程世界角度來看，首先，諸多廠商存在碳化硅長期供應協議，此外，碳化硅廠商整體布局較為激進，因此碳化硅整體增長趨勢是必然的。

而氮化鎵方面，雖然Yole報告中展現其放緩腳步的一面，但事實上，氮化鎵正不斷擴大其應用，并在近兩年內有望不斷突破。原因在兩方面：一是氮化鎵與原有硅代工路線極為相似，但氮化鎵工廠產能擴充不是問題，二是碳化硅大功率優勢氮化鎵也可以通過多路串聯解決，大量廠商也正推出相應的解決方案，用于汽車、PC服務器領域。

從國產方面來看，國產在功率半導體市場相比國外雖有差距，在地緣政治摩擦頻發背景下，替代正在加速。由于SiC和GaN整體成本仍與硅基功率半導體有差距，MOSFET、IGBT分立器件和模組仍然會是3~5年內的主流和增長亮點，不過在5G、新能源、智能化汽車拉動下，SiC和GaN市場前景極佳。


強勢崛起的第四代半導體

隨著2018年特斯拉采用碳化硅（SiC）、2020年小米在快充上使用氮化鎵開始，第三代半導體經過三四十年的發展終于獲得市場認可迎來發展機遇。此后，第三代半導體在新能源車、消費電子等領域快速發展開來，并逐漸從熱門場景向更多拓展場景探索。

而在第三代半導體發展得如火如荼之際，氧化鎵、氮化鋁、金剛石等第四代半導體材料也開始受到關注，金剛石更因擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等特性，被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，而被稱作“終極半導體”。

但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）之后最具市場潛力的材料，很有可能在未來10年左右稱霸市場。

氧化鎵 (Ga2O3 ）是一種新型超寬禁帶半導體材料，是被國際普遍關注并認可已開啟產業化的第四代半導體材料。與碳化硅、氮化鎵相比，氧化鎵基功率器件具備高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特點。此前被用于光電領域的應用，直到2012年開始，業內對它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究單位都在朝著該方向發展。

當前，半導體材料可以分為四代，第一、二、三、四代半導體材料各有利弊，在特定的應用場景中存在各自的比較優勢，但不可否認的是，中國在第一、二代半導體的發展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面，中國與世界領先水平之間都存在著明顯的差距。

而在第四代半導體領域，我國氧化鎵的研究則更集中于科研領域，產業化進程剛剛起步，但是進展飛速，我國科技部于2022年將氧化鎵列入“十四五重點研發計劃”，讓第四代半導體獲得更廣泛關注。