功率半導(dǎo)體是一個很卷的市場，現(xiàn)在，材料無疑是最大的賽點。

現(xiàn)在廠商都在不斷向高功率密度、低靜態(tài)電流、高定制以及高智能方向發(fā)展，而從過去到現(xiàn)在的功率半導(dǎo)體市場來看，無論是結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(dǎo)體和Ga2O3（氧化鎵）、金剛石等第四代半導(dǎo)體上。


功率器件的材料演進之路

硅作為最常用的半導(dǎo)體材料之一，占據(jù)了功率器件市場的主導(dǎo)地位。它的主要優(yōu)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(yīng)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(dǎo)通損耗和良好的高溫性能使其在許多應(yīng)用中具有優(yōu)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(dǎo)體材料，GaN優(yōu)點是高電子遷移率，低導(dǎo)通損耗，適合高頻應(yīng)用。但缺點是制造工藝復(fù)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(yè)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(guān)注。

氧化鎵，作為一種相對較新的半導(dǎo)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(yīng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)中找到其位置。

金剛石被認為是終極半導(dǎo)體，因為它在許多方面的性能優(yōu)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(dǎo)體材料相比，金剛石具有獨特的優(yōu)勢。

極高的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的電絕緣性能和高溫穩(wěn)定性：金剛石是一種在高溫下穩(wěn)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(dǎo)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(shù)半導(dǎo)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(huán)境中表現(xiàn)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(huán)境下工作，適用于極端條件下的應(yīng)用。

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


碳化硅爬坡，氮化鎵增緩

8月28日，矢野研究所的數(shù)據(jù)顯示，寬禁帶半導(dǎo)體作為硅的替代材料，越來越多地用于功率半導(dǎo)體，2022年全球?qū)捊麕О雽?dǎo)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(yù)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(yīng)用的全面采用預(yù)計將成為3年起市場快速增長的關(guān)鍵；氮化鎵目前主要用于LED和LD等照明應(yīng)用以及高頻功率器件應(yīng)用上具備優(yōu)異特性，而現(xiàn)在它的問題在于大容量的大規(guī)模供應(yīng)，GaN-on-GaN器件正在高速發(fā)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(shù)量正在激增，雖然短期研究結(jié)果相繼發(fā)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(wěn)固需求提升；金剛石則在快速增長，日本相關(guān)廠商正通過IPO籌集資金以提高產(chǎn)能，雖然它是功率半導(dǎo)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(jié)論不難看出，碳化硅不僅是現(xiàn)在增長最為迅速的，也是當(dāng)下產(chǎn)業(yè)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(fā)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(yè)、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(qū)動：一是電動汽車（BEV）中800V電動汽車（EV）是碳化硅加速關(guān)鍵點；二是電動汽車直流充電（DC）與xEV（帶有電動動力系統(tǒng)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(lǐng)域在2022年~2028年裝機量不斷攀升，價值數(shù)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(lǐng)域本就擁有大量快充市場，2022年~2028年復(fù)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(lǐng)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(jīng)從可行性問題演變?yōu)闀r間問題，近十年來多數(shù)廠商一直專注于車載充電器（OBC）和DC/DC領(lǐng)域展開合作。

整體上來看，2022年，包括分立式器件和模塊在內(nèi)的功率半導(dǎo)體市場總規(guī)模可達209億美元，預(yù)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(diào)，他們發(fā)現(xiàn)一些在氮化鎵方面發(fā)力的廠商放緩了研發(fā)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(yīng)協(xié)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(xiàn)其放緩腳步的一面，但事實上，氮化鎵正不斷擴大其應(yīng)用，并在近兩年內(nèi)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(chǎn)能擴充不是問題，二是碳化硅大功率優(yōu)勢氮化鎵也可以通過多路串聯(lián)解決，大量廠商也正推出相應(yīng)的解決方案，用于汽車、PC服務(wù)器領(lǐng)域。

從國產(chǎn)方面來看，國產(chǎn)在功率半導(dǎo)體市場相比國外雖有差距，在地緣政治摩擦頻發(fā)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(dǎo)體有差距，MOSFET、IGBT分立器件和模組仍然會是3~5年內(nèi)的主流和增長亮點，不過在5G、新能源、智能化汽車?yán)瓌酉拢琒iC和GaN市場前景極佳。


強勢崛起的第四代半導(dǎo)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(dǎo)體經(jīng)過三四十年的發(fā)展終于獲得市場認可迎來發(fā)展機遇。此后，第三代半導(dǎo)體在新能源車、消費電子等領(lǐng)域快速發(fā)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(dǎo)體發(fā)展得如火如荼之際，氧化鎵、氮化鋁、金剛石等第四代半導(dǎo)體材料也開始受到關(guān)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(dǎo)體”。

但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學(xué)問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料，是被國際普遍關(guān)注并認可已開啟產(chǎn)業(yè)化的第四代半導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用，直到2012年開始，業(yè)內(nèi)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(fā)展。

當(dāng)前，半導(dǎo)體材料可以分為四代，第一、二、三、四代半導(dǎo)體材料各有利弊，在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，但不可否認的是，中國在第一、二代半導(dǎo)體的發(fā)展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業(yè)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(lǐng)先水平之間都存在著明顯的差距。

而在第四代半導(dǎo)體領(lǐng)域，我國氧化鎵的研究則更集中于科研領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)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(fā)計劃”，讓第四代半導(dǎo)體獲得更廣泛關(guān)注。