Omdia 預(yù)測(cè)，隨著電動(dòng)汽車 (EV) 革命的到來(lái)，新型半導(dǎo)體將出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，而功率半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)十年的傳統(tǒng)規(guī)范也將受到挑戰(zhàn)。AI 的興起是否會(huì)有類似的影響？

Omdia 半導(dǎo)體研究元件高級(jí)分析師 Callum Middleton 表示：“對(duì)于長(zhǎng)期依賴于硅技術(shù)的行業(yè)，新材料制成的器件既能帶來(lái)挑戰(zhàn)，也能起到推動(dòng)作用。氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率器件的開發(fā)始于上個(gè)世紀(jì)，但它們的技術(shù)成熟度順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，用新材料制造的器件為我們這個(gè)能源匱乏的世界帶來(lái)顯著的效率提升。”

特斯拉已于 2018 年首次采用多個(gè) SiC 器件。該技術(shù)由此從實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)設(shè)計(jì)躍升為主流。電動(dòng)車市場(chǎng)自此開始起飛，而這些技術(shù)對(duì)充電速度和續(xù)航里程的提升大有裨益，采用這些技術(shù)的汽車制造商更與日俱增。

這一早期采用SiC的案例證實(shí)了SiC 在現(xiàn)實(shí)世界的效能和可靠程度。而氮化鎵（GaN）在手機(jī)和筆記本電腦充電器中的應(yīng)用也取得了類似的效果。隨著 AI 的蓬勃發(fā)展，它將給我們的能源供應(yīng)和分配系統(tǒng)帶來(lái)額外的壓力。為使行業(yè)充分享受到AI 的好處，并以可持續(xù)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(jià)。在數(shù)據(jù)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(shí)為額外的計(jì)算能力釋放空間。


功率器件的材料演進(jìn)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(chǎng)的主導(dǎo)地位。它的主要優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(chǎng)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(shì)，正在逐漸蠶食硅的市場(chǎng)份額。但相對(duì)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(diǎn)是高電子遷移率，低導(dǎo)通損耗，適合高頻應(yīng)用。但缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，成本相對(duì)較高。

目前市面上主要采用上述這幾種材料來(lái)制造功率器件，但與此同時(shí)，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(lái)越多的關(guān)注。

氧化鎵，作為一種相對(duì)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(chǎng)強(qiáng)。其高擊穿電場(chǎng)和較低的損耗顯示出巨大的潛力，但由于制造工藝相對(duì)不成熟，目前其應(yīng)用仍處于探索階段。未來(lái)，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(rèn)為是終極半導(dǎo)體，因?yàn)樗谠S多方面的性能優(yōu)于市場(chǎng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

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(guò)2000°C的溫度下不會(huì)惡化，遠(yuǎn)超其他半導(dǎo)體材料。

卓越的電氣性能：金剛石的臨界電場(chǎng)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(dòng)汽車、具有20年長(zhǎng)壽命電池的物聯(lián)網(wǎng)、使用硬化電子元件或探測(cè)器的核能和空間應(yīng)用，以及用于自動(dòng)駕駛汽車的超精確量子傳感器等領(lǐng)域。

碳化硅如日中天

氮化鎵增速緩慢

碳化硅已進(jìn)入全面增長(zhǎng)階段，汽車應(yīng)用的全面采用預(yù)計(jì)將成為3年起市場(chǎng)快速增長(zhǎng)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(wèn)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(chǎng)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(lái)者，并且在摻雜和制備上具有一定問(wèn)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(zhǎng)，日本相關(guān)廠商正通過(guò)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(wèn)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(zhǎng)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(gè)，市場(chǎng)一片欣欣向榮之勢(shì)，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(bào)告也有著類似的趨勢(shì)。

Yole報(bào)告顯示，隨著8英寸時(shí)代到來(lái)，受到200多億美元的投資推動(dòng)，碳化硅（SiC）功率器件市場(chǎng)將在2028年達(dá)到90億美元。其中，汽車市場(chǎng)占比達(dá)到74%，其次則是工業(yè)、能源、運(yùn)輸、電信和消費(fèi)，分別占比14%、8%、3%、0.3%、0.1%。

市場(chǎng)增長(zhǎng)由三方面驅(qū)動(dòng)：一是電動(dòng)汽車（BEV）中800V電動(dòng)汽車（EV）是碳化硅加速關(guān)鍵點(diǎn)；二是電動(dòng)汽車直流充電（DC）與xEV（帶有電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的車輛HEV與BEV）中，大功率模塊化充電器會(huì)帶來(lái)十億美元的碳化硅市場(chǎng)；三是能源領(lǐng)域在2022年~2028年裝機(jī)量不斷攀升，價(jià)值數(shù)億美元的市場(chǎng)即將形成。

GaN市場(chǎng)則在2028年達(dá)到20.8億美元，消費(fèi)領(lǐng)域本就擁有大量快充市場(chǎng)，2022年~2028年復(fù)合增長(zhǎng)率保持44%；汽車和通信是GaN兩大高速增長(zhǎng)市場(chǎng)，汽車領(lǐng)域ADAS汽車LiDAR正在利用100V GaN器件，此外，在動(dòng)力總成中采用氮化鎵已經(jīng)從可行性問(wèn)題演變?yōu)闀r(shí)間問(wèn)題，近十年來(lái)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(lái)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(chǎng)總規(guī)模可達(dá)209億美元，預(yù)計(jì)2028年這一市場(chǎng)將增長(zhǎng)到333億美元。其中，分立式器件市場(chǎng)將從2022年的143億美元，增長(zhǎng)到2028年的185億美元；模塊市場(chǎng)也至2028年則會(huì)達(dá)到148億美元。

Yole在報(bào)告中強(qiáng)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(chǎng)增長(zhǎng)后再進(jìn)一步加大投資。