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

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

MOSFET根據(jù)導(dǎo)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(dǎo)體領(lǐng)域，各種結(jié)構(gòu)MOSFET發(fā)揮不同的作用。IGBT組件為復(fù)合結(jié)構(gòu)，輸入端為MOSFET結(jié)構(gòu)，輸出端為BIPOLAR結(jié)構(gòu)具有低飽和電壓、快速切換等特點(diǎn)，但切換速度不如MOSFET。

傳統(tǒng)以硅（Si）基材IGBT主要特點(diǎn)是耐高壓、高電流，主要用于鐵路電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等大功率、大電流的電力設(shè)備或電力基礎(chǔ)設(shè)施，缺點(diǎn)是不能收縮；MOSFET驅(qū)動(dòng)電流小，多用于變頻導(dǎo)向3C設(shè)備或消費(fèi)3C手機(jī)充電器、小家電變壓器等產(chǎn)品的缺點(diǎn)是無(wú)法承受過(guò)大的電壓和電流。

在技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面，MOSFET與IGBT每一個(gè)痛點(diǎn)都有待克服。硅（Si）由于物理性能的限制，材料耐受性差，轉(zhuǎn)換效率差，散熱問(wèn)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(yán)重，國(guó)家能源政策積極向凈零碳排放（Net Zero）目標(biāo)前進(jìn)，我們關(guān)注的焦點(diǎn)是什么？「更節(jié)能，更節(jié)能」，此外，由于時(shí)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(gè)大問(wèn)題。

第三類化合物半導(dǎo)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(dǎo)體具有耐高溫、耐高壓、快速運(yùn)行等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車充電設(shè)備、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能板逆變器、數(shù)據(jù)中心、手機(jī)快速充電、太空衛(wèi)星、行動(dòng)基地平臺(tái)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(diǎn)是高溫和高崩潰電壓耐受性；氮化鎵（GaN）穩(wěn)定性高，熔點(diǎn)高達(dá)1700度。除了穩(wěn)定性、耐高溫、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)外，它還具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。它主要用于變壓器和充電器領(lǐng)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(jī)和手表充電產(chǎn)品，可以有效縮短充電時(shí)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(biāo)的臨近，各國(guó)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(dòng)了整個(gè)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)。碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）它可以同時(shí)應(yīng)用于汽車工業(yè)，特別是碳化硅（SiC）在車載領(lǐng)域和可靠性方面更具優(yōu)勢(shì)，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(zhuǎn)換損耗，降低約20%的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成本，提高約4%的電動(dòng)汽車電池壽命。

帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)能力的龍頭
電動(dòng)汽車的充電設(shè)備和充電基礎(chǔ)設(shè)施都需要更高效的部件。林若珍指出，碳化硅（SiC）組件市場(chǎng)主要由汽車行業(yè)主導(dǎo)，如特斯拉（Tesla）電動(dòng)車款Model 3.率先應(yīng)用半導(dǎo)體生產(chǎn)的意法SiC MOSFET，帶動(dòng)多家電動(dòng)汽車制造商進(jìn)入SiC材料。Model 3驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體晶體管（MOSFET），開(kāi)啟全球第三類半導(dǎo)體擴(kuò)產(chǎn)潮。至于氮化鎵（GaN）電力組件市場(chǎng)由消費(fèi)品(如手機(jī)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(dòng)汽車中的小電壓)組成DC-DC converter）所帶動(dòng)。

Yole Developpement研究機(jī)構(gòu)報(bào)告指出，碳化硅應(yīng)用于2020-2026年（SiC）氮化鎵作為一種功率半導(dǎo)體材料，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)到45億美元（GaN）半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)11億美元。預(yù)計(jì)2027年碳化硅將被估計(jì)2027年碳化硅（SiC）氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)63億美元（GaN）2021-2027年，整體氮化鎵市場(chǎng)可達(dá)20億美元；（GaN）復(fù)合年率組件市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率（CAGR）碳化硅為59%（SiC）復(fù)合年率組件市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率（CAGR）為34%。氮化鎵除了大量消費(fèi)電源外，還大量使用氮化鎵（GaN）氮化鎵，功率組件（GaN）導(dǎo)入數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)備的功率組件的速度也越來(lái)越快。



圖二 : 估計(jì)碳化硅功率半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模。（source: Yole Developpemen）




圖三 : 市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)氮化鎵功率半導(dǎo)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(dǎo)體（Navitas）、美商Transphorm至于碳化硅，積極與半導(dǎo)體OEM結(jié)盟，搶占市場(chǎng)（SiC）以IDM重量級(jí)行業(yè)主要包括英飛凌（Infineon）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、羅姆半導(dǎo)體（Rohm）等，其中，法半導(dǎo)體同時(shí)跨足碳化硅（SiC）、氮化鎵（Gan）領(lǐng)域；英飛凌、安森美半導(dǎo)體；（onsemi）則擁有Si、SiC、GaN三種功率技術(shù)。

8寸碳化硅晶圓成為兵家必爭(zhēng)之地
對(duì)第三代半導(dǎo)體的未來(lái)發(fā)展持樂(lè)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(dǎo)體的制造能力；安森美半導(dǎo)體宣布，自2024年以來(lái)，碳化硅碳化硅的年銷售額將達(dá)到10億美元，并計(jì)劃在2025年之前擴(kuò)展到目前的10倍以上。據(jù)說(shuō)安森美和特斯拉已經(jīng)達(dá)到了碳化硅（SiC）長(zhǎng)期協(xié)議。

氮化鎵功率半導(dǎo)體全球領(lǐng)導(dǎo)者GaN Systems全氮化鎵車輛有助于改善全球暖化問(wèn)題，提前實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)。電動(dòng)汽車的逆變器可以將電池中的直流轉(zhuǎn)換為交流電GaN晶體管能提高能效，行駛里程延長(zhǎng)5%以上。有鑒于GaN Systems今年2月，產(chǎn)品在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)電源領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛GaN Systems宣布擴(kuò)大三倍運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)規(guī)模。




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

據(jù)市場(chǎng)估計(jì)，未來(lái)8寸晶圓和基板可能成為兵家必爭(zhēng)之地。除沃孚半導(dǎo)體、羅姆半導(dǎo)體外，Ⅱ-Ⅵ已推出8寸碳化硅基板，英飛凌、意大利半導(dǎo)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(lái)，8寸晶圓和基板可能成為兵家必爭(zhēng)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(dǎo)體在技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上并非完全無(wú)缺點(diǎn)，「由于技術(shù)發(fā)展的限制，第三類半導(dǎo)體的成本尚未達(dá)到甜點(diǎn)，每種半導(dǎo)體都有合適的應(yīng)用類別，不能大量取代硅基半導(dǎo)體市場(chǎng)�！�

林若珍進(jìn)一步解釋說(shuō)，碳化硅的成本很高，主要是因?yàn)榛�板和雷晶的工藝�(yán)щy。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(kāi)發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)和工藝，以提高碳化硅的產(chǎn)能。氮化鎵目前主要開(kāi)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(kāi)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(dǎo)體似乎比硅基半導(dǎo)體更符合新興行業(yè)和電子產(chǎn)品的需求，如電動(dòng)汽車行業(yè)追求更高效、更快的充電時(shí)間、更長(zhǎng)的里程、更輕的產(chǎn)品體積和重量，越來(lái)越多的汽車制造商進(jìn)口SiC材料，并以SiC MOSFET取代傳統(tǒng)硅基IGBT。至于消費(fèi)性3C產(chǎn)品，可見(jiàn)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(dá)到凈零碳排名的目的。

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

對(duì)此，林若震透過(guò)Navitas與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，發(fā)布的產(chǎn)品信息進(jìn)一步說(shuō)明Si組件，一般電廠在電網(wǎng)到發(fā)電站(如火力、風(fēng)力、太陽(yáng)能等)之間，如果全部重用GaN作為能源轉(zhuǎn)換器(逆變器和轉(zhuǎn)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(biāo)前進(jìn)，未來(lái)第三類半導(dǎo)體出口主要由電動(dòng)汽車行業(yè)、可再生能源、智能電網(wǎng)等基礎(chǔ)電力設(shè)備驅(qū)動(dòng)；氮化鎵功率KEMET代理可應(yīng)用于消費(fèi)品、太空衛(wèi)星通信或各國(guó)數(shù)據(jù)中心。

各國(guó)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(kuò)大并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，碳化硅和氮化鎵的市場(chǎng)將會(huì)擴(kuò)大。2022年4月，沃孚半導(dǎo)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(gè)200mm SiC工廠也是最大的8英寸碳化硅（SiC）為了擴(kuò)大生產(chǎn)能力，晶圓廠。未來(lái)，隨著第三類半導(dǎo)體材料產(chǎn)品比例的增加，可以減少更多的能源浪費(fèi)，實(shí)施節(jié)能減碳。

林若珍認(rèn)為，各種類型的半導(dǎo)體都適合應(yīng)用，無(wú)論未來(lái)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(yīng)用場(chǎng)。以電動(dòng)汽車為例，SiC逆變器（Inverter）耐高壓、大電流是提高電動(dòng)汽車電池功率的關(guān)鍵。目前主流是800V碳化硅組件電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車電壓越高，充電時(shí)間越長(zhǎng)，電動(dòng)汽車電池壽命越高；1200V也許將來(lái)有機(jī)會(huì)應(yīng)用于電動(dòng)汽車，而1700V及3300V碳化硅組件可用于風(fēng)力發(fā)電或電網(wǎng)傳輸。在電子設(shè)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(dá)檢測(cè)端等設(shè)備需要電流快速轉(zhuǎn)換，適用于氮化鎵材料作為主要應(yīng)用。

下一代功率半導(dǎo)體
TrendForce研究預(yù)測(cè)，2022年車用SiC市場(chǎng)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(guó)際研究所（IEK）調(diào)查報(bào)告顯示，2025年全球化合物半導(dǎo)體市值預(yù)計(jì)將達(dá)到1780億美元。雖然化合物半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模不如第一類硅基半導(dǎo)體，但復(fù)合物的年增長(zhǎng)率高于第一類半導(dǎo)體。智能手機(jī)3D感知，電動(dòng)車和5G當(dāng)需求爆發(fā)時(shí)，電動(dòng)汽車的半導(dǎo)體功率組件需要更高的轉(zhuǎn)換效率和更高的電壓。GaN、SiC）與第二類化合物半導(dǎo)體(如GaAs、InP）、第一類硅基半導(dǎo)體更合適。

總的來(lái)說(shuō)，次世代功率半導(dǎo)體(如SiC、GaN、Ga2O3等)性能優(yōu)于硅（Si），尤其是SiC由于對(duì)信息通信、能源、汽車/電子設(shè)備的強(qiáng)烈需求，功率半導(dǎo)體的價(jià)值上升。日本富士經(jīng)濟(jì)特別針對(duì)電動(dòng)汽車和可再生能源相關(guān)功率半導(dǎo)體全球市場(chǎng)調(diào)查，由于2030年碳中和和2050年凈零碳排名目標(biāo)，加上電動(dòng)汽車和可再生能源普及率顯著提高，預(yù)計(jì)2030年市場(chǎng)規(guī)�？蛇_(dá)5兆3，587億日?qǐng)A，推動(dòng)下一代功率半導(dǎo)體需求，規(guī)模預(yù)計(jì)超過(guò)1兆日?qǐng)A。如果每輛電動(dòng)汽車需要使用250個(gè)功率半導(dǎo)體組件，預(yù)計(jì)化合物半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)增長(zhǎng)。