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主流功率半導體組件爭霸

（2025年4月30日更新）

功率半導體組件與電源和電源控制應用有關，具有功率大、速度快的特點，有助于提高能源轉換效率。多年來，功率半導體采用硅（Si）以碳化硅為基礎的芯片設計架構成為主流（SiC）、氮化鎵（GaN）第三類半導體材料的出現(xiàn)，使功率半導體組件的應用更加多樣化，效率更高。

MOSFET與IGBT雙主流各有痛點
高功率組件應用研發(fā)聯(lián)盟秘書長林若珍博士指出，功率半導體組件是電源和電力控制應用的核心，具有降低導電阻、提高電力轉換效率的功能，包括MOSFET(金屬氧化半導體場效晶體管)IGBT應用范圍最為重要，兩者各有優(yōu)缺點。

MOSFET根據(jù)導電特性和通道差異，電源電子控制的作用可分為NMOS（N-type MOS）、PMOS（P-type MOS）、CMOS（Complementary MOS），在大功率半導體領域，各種結構MOSFET發(fā)揮不同的作用。IGBT組件為復合結構，輸入端為MOSFET結構，輸出端為BIPOLAR結構具有低飽和電壓、快速切換等特點，但切換速度不如MOSFET。

傳統(tǒng)以硅（Si）基材IGBT主要特點是耐高壓、高電流，主要用于鐵路電網(wǎng)、風力發(fā)電機等大功率、大電流的電力設備或電力基礎設施，缺點是不能收縮；MOSFET驅動電流小，多用于變頻導向3C設備或消費3C手機充電器、小家電變壓器等產(chǎn)品的缺點是無法承受過大的電壓和電流。

在技術開發(fā)和應用方面，MOSFET與IGBT每一個痛點都有待克服。硅（Si）由于物理性能的限制，材料耐受性差，轉換效率差，散熱問題，不能完全滿足新電子電力產(chǎn)品的需求，加上全球暖化日益嚴重，國家能源政策積極向凈零碳排放（Net Zero）目標前進，我們關注的焦點是什么？「更節(jié)能，更節(jié)能」，此外，由于時代的需要，人們追求短、小、輕、薄、易攜帶，如何縮裝產(chǎn)品也是一個大問題。

第三類化合物半導體提供更多選擇
碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）兩種材料的興起有助于解決傳統(tǒng)硅基組件的困境。第三類化合物半導體具有耐高溫、耐高壓、快速運行等特點，可廣泛應用于電動汽車、電動汽車充電設備、大型風力發(fā)電機、太陽能板逆變器、數(shù)據(jù)中心、手機快速充電、太空衛(wèi)星、行動基地平臺等高功率、高頻、高溫電子電力系統(tǒng)。

碳化硅（SiC）最大的優(yōu)點是高溫和高崩潰電壓耐受性；氮化鎵（GaN）穩(wěn)定性高，熔點高達1700度。除了穩(wěn)定性、耐高溫、耐高壓等優(yōu)點外，它還具有良好的導電性和導熱性。它主要用于變壓器和充電器領域，如需要大電壓的筆電筒和平板電腦，以及需要小電壓的手機和手表充電產(chǎn)品，可以有效縮短充電時間。氮化鎵（GaN）與硅基組件相比，組件的切換速度是硅基組件的10倍以上Si，更適合高頻高效的電子產(chǎn)品，包括5G產(chǎn)品。

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圖一 : 小米生產(chǎn)的GaN 65W快速充電器。（source：小米）

2050年凈零碳排放（Net Zero）隨著目標的臨近，各國在交通政策和產(chǎn)業(yè)推廣方面都朝著燃油汽車電氣化的方向發(fā)展，推動了整個電動汽車產(chǎn)業(yè)。碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）它可以同時應用于汽車工業(yè)，特別是碳化硅（SiC）在車載領域和可靠性方面更具優(yōu)勢，主要包括逆變器和車載充電器（OBC）還有直流變壓器等。與傳統(tǒng)硅基模塊效率相比，碳化硅（SiC）可減少約50%的電能轉換損耗，降低約20%的電源轉換系統(tǒng)成本，提高約4%的電動汽車電池壽命。

帶動第三代半導體生產(chǎn)能力的龍頭
電動汽車的充電設備和充電基礎設施都需要更高效的部件。林若珍指出，碳化硅（SiC）組件市場主要由汽車行業(yè)主導，如特斯拉（Tesla）電動車款Model 3.率先應用半導體生產(chǎn)的意法SiC MOSFET，帶動多家電動汽車制造商進入SiC材料。Model 3驅動逆變器（Traction Inverter）一些人放棄了傳統(tǒng)的絕緣柵雙極晶體管（IGBT），首先引入碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體晶體管（MOSFET），開啟全球第三類半導體擴產(chǎn)潮。至于氮化鎵（GaN）電力組件市場由消費品(如手機快速充電)、電信/通信(如數(shù)據(jù)中心、太空衛(wèi)星通信)和汽車行業(yè)(如電動汽車中的小電壓)組成DC-DC converter）所帶動。

Yole Developpement研究機構報告指出，碳化硅應用于2020-2026年（SiC）氮化鎵作為一種功率半導體材料，市場規(guī)模增長到45億美元（GaN）半導體市場規(guī)模達11億美元。預計2027年碳化硅將被估計2027年碳化硅（SiC）氮化鎵市場規(guī)模可達63億美元（GaN）2021-2027年，整體氮化鎵市場可達20億美元；（GaN）復合年率組件市場的年增長率（CAGR）碳化硅為59%（SiC）復合年率組件市場的年增長率（CAGR）為34%。氮化鎵除了大量消費電源外，還大量使用氮化鎵（GaN）氮化鎵，功率組件（GaN）導入數(shù)據(jù)中心和電信設備的功率組件的速度也越來越快。

圖二 : 估計碳化硅功率半導體材料的市場規(guī)模。（source: Yole Developpemen）

圖三 : 市場規(guī)模預測氮化鎵功率半導體材料。（source: Yole Developpemen）

氮化鎵等知名業(yè)者（Gan）功率IC龍頭納微半導體（Navitas）、美商Transphorm至于碳化硅，積極與半導體OEM結盟，搶占市場（SiC）以IDM重量級行業(yè)主要包括英飛凌（Infineon）、意法半導體（STMicroelectronics）、羅姆半導體（Rohm）等，其中，法半導體同時跨足碳化硅（SiC）、氮化鎵（Gan）領域；英飛凌、安森美半導體；（onsemi）則擁有Si、SiC、GaN三種功率技術。

8寸碳化硅晶圓成為兵家必爭之地
對第三代半導體的未來發(fā)展持樂觀態(tài)度，主要工廠經(jīng)常布局。例如，英飛凌今年2月宣布，投資20億歐元提高第三代半導體的制造能力；安森美半導體宣布，自2024年以來，碳化硅碳化硅的年銷售額將達到10億美元，并計劃在2025年之前擴展到目前的10倍以上。據(jù)說安森美和特斯拉已經(jīng)達到了碳化硅（SiC）長期協(xié)議。

氮化鎵功率半導體全球領導者GaN Systems全氮化鎵車輛有助于改善全球暖化問題，提前實現(xiàn)凈零碳排放目標。電動汽車的逆變器可以將電池中的直流轉換為交流電GaN晶體管能提高能效，行駛里程延長5%以上。有鑒于GaN Systems今年2月，產(chǎn)品在消費電子、電動汽車、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)電源領域的應用越來越廣泛GaN Systems宣布擴大三倍運營團隊規(guī)模。

圖四 : 全氮化鎵車輛實現(xiàn)凈零碳排放（Net Zero）目標。（Source：GaN Systems）

據(jù)市場估計，未來8寸晶圓和基板可能成為兵家必爭之地。除沃孚半導體、羅姆半導體外，Ⅱ-Ⅵ已推出8寸碳化硅基板，英飛凌、意大利半導體、安森美等大廠也積極布局8寸碳化硅晶圓生產(chǎn)線。

圖五 : 未來，8寸晶圓和基板可能成為兵家必爭之地。（Source：Wolfspeed）

在大規(guī)模商業(yè)化之前降低成本
但第三類化合物半導體在技術開發(fā)和應用上并非完全無缺點，「由于技術發(fā)展的限制，第三類半導體的成本尚未達到甜點，每種半導體都有合適的應用類別，不能大量取代硅基半導體市場。」

林若珍進一步解釋說，碳化硅的成本很高，主要是因為基板和雷晶的工藝困難。到目前為止，碳化硅晶圓的成本仍然占碳化硅組件的60%左右，需要開發(fā)更先進的技術和工藝，以提高碳化硅的產(chǎn)能。氮化鎵目前主要開發(fā)水平組件，但水平組件GaN在硅基板上，大尺寸晶圓容易開裂，而晶圓尺寸不能大也意味著成本難以降低。

目前，第三類化合物半導體似乎比硅基半導體更符合新興行業(yè)和電子產(chǎn)品的需求，如電動汽車行業(yè)追求更高效、更快的充電時間、更長的里程、更輕的產(chǎn)品體積和重量，越來越多的汽車制造商進口SiC材料，并以SiC MOSFET取代傳統(tǒng)硅基IGBT。至于消費性3C產(chǎn)品，可見GaN MOSFET逐漸取代Si MOSFET，這些變化都是為了使電子產(chǎn)品更加節(jié)能，達到凈零碳排名的目的。

IGBT、MOSFET、SiC、GaN的未來
隨著5G、高級手機等消費電子產(chǎn)品和電動汽車、綠色能源蓬勃發(fā)展，對電源部件的高功率和高壓需求必然越來越重要，未來，IGBT、MOSFET、SiC、GaN組件的發(fā)展可能有哪些變量？

對此，林若震透過Navitas與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，發(fā)布的產(chǎn)品信息進一步說明Si組件，一般電廠在電網(wǎng)到發(fā)電站(如火力、風力、太陽能等)之間，如果全部重用GaN作為能源轉換器(逆變器和轉換器)，功率組件可以有效減少碳足跡的4-10倍。如果使用到2050年，每年將節(jié)省26億噸CO2排放量。如今，大多數(shù)電源組件都朝向「節(jié)能、縮裝」目標前進，未來第三類半導體出口主要由電動汽車行業(yè)、可再生能源、智能電網(wǎng)等基礎電力設備驅動；氮化鎵功率KEMET代理可應用于消費品、太空衛(wèi)星通信或各國數(shù)據(jù)中心。

各國和地區(qū)都希望掌握這些戰(zhàn)略材料。然而，晶圓的生產(chǎn)成本占很高的比例。如果晶圓的尺寸能夠擴大并實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，碳化硅和氮化鎵的市場將會擴大。2022年4月，沃孚半導體碳化硅晶圓龍頭廠商（Wolfspeed）紐約已經(jīng)建立了世界上第一個200mm SiC工廠也是最大的8英寸碳化硅（SiC）為了擴大生產(chǎn)能力，晶圓廠。未來，隨著第三類半導體材料產(chǎn)品比例的增加，可以減少更多的能源浪費，實施節(jié)能減碳。

林若珍認為，各種類型的半導體都適合應用，無論未來是硅基IGBT、MOSFET或是以SiC為基底的IGBT、MOSFET，根據(jù)所需的效率和材料特性，找到合適的應用場。以電動汽車為例，SiC逆變器（Inverter）耐高壓、大電流是提高電動汽車電池功率的關鍵。目前主流是800V碳化硅組件電動汽車，電動汽車電壓越高，充電時間越長，電動汽車電池壽命越高；1200V也許將來有機會應用于電動汽車，而1700V及3300V碳化硅組件可用于風力發(fā)電或電網(wǎng)傳輸。在電子設備中使用氮化鎵可以更好汽車的變頻效果DC-DC converter或者雷達檢測端等設備需要電流快速轉換，適用于氮化鎵材料作為主要應用。

下一代功率半導體
TrendForce研究預測，2022年車用SiC市場規(guī)模為10.7億美元，2026年將攀升至39.4億美元。工研院產(chǎn)科國際研究所（IEK）調查報告顯示，2025年全球化合物半導體市值預計將達到1780億美元。雖然化合物半導體的市場規(guī)模不如第一類硅基半導體，但復合物的年增長率高于第一類半導體。智能手機3D感知，電動車和5G當需求爆發(fā)時，電動汽車的半導體功率組件需要更高的轉換效率和更高的電壓。GaN、SiC）與第二類化合物半導體(如GaAs、InP）、第一類硅基半導體更合適。

總的來說，次世代功率半導體(如SiC、GaN、Ga2O3等)性能優(yōu)于硅（Si），尤其是SiC由于對信息通信、能源、汽車/電子設備的強烈需求，功率半導體的價值上升。日本富士經(jīng)濟特別針對電動汽車和可再生能源相關功率半導體全球市場調查，由于2030年碳中和和2050年凈零碳排名目標，加上電動汽車和可再生能源普及率顯著提高，預計2030年市場規(guī)模可達5兆3，587億日圓，推動下一代功率半導體需求，規(guī)模預計超過1兆日圓。如果每輛電動汽車需要使用250個功率半導體組件，預計化合物半導體的市場規(guī)模將會增長。