Omdia 預(yù)測，隨著電動汽車 (EV) 革命的到來，新型半導(dǎo)體將出現(xiàn)爆炸式增長，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 的興起是否會有類似的影響？

Omdia 半導(dǎo)體研究元件高級分析師 Callum Middleton 表示：“對于長期依賴于硅技術(shù)的行業(yè)，新材料制成的器件既能帶來挑戰(zhàn)，也能起到推動作用。氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率器件的開發(fā)始于上個世紀，但它們的技術(shù)成熟度順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)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(shù)由此從實驗室和試驗設(shè)計躍升為主流。電動車市場自此開始起飛，而這些技術(shù)對充電速度和續(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的案例證實了SiC 在現(xiàn)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(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。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(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(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。