功率半导体组件与电源和电源控制应用有关，具有功率大、速度快的特点，有助于提高能源转换效率。多年来，功率半导体采用硅（Si）以碳化硅为基础的芯片设计架构成为主流（SiC）、氮化镓（GaN）第三类半导体材料的出现，使功率半导体组件的应用更加多样化，效率更高。

MOSFET与IGBT双主流各有痛点
高功率组件应用研发联盟秘书长林若珍博士指出，功率半导体组件是电源和电力控制应用的核心，具有降低导电阻、提高电力转换效率的功能，包括MOSFET(金属氧化半导体场效晶体管)IGBT应用范围最为重要，两者各有优缺点。

MOSFET根据导电特性和通道差异，电源电子控制的作用可分为NMOS（N-type MOS）、PMOS（P-type MOS）、CMOS（Complementary MOS），在大功率半导体领域，各种结构MOSFET发挥不同的作用。IGBT组件为复合结构，输入端为MOSFET结构，输出端为BIPOLAR结构具有低饱和电压、快速切换等特点，但切换速度不如MOSFET。

传统以硅（Si）基材IGBT主要特点是耐高压、高电流，主要用于铁路电网、风力发电机等大功率、大电流的电力设备或电力基础设施，缺点是不能收缩；MOSFET驱动电流小，多用于变频导向3C设备或消费3C手机充电器、小家电变压器等产品的缺点是无法承受过大的电压和电流。

在技术开发和应用方面，MOSFET与IGBT每一个痛点都有待克服。硅（Si）由于物理性能的限制，材料耐受性差，转换效率差，散热问题，不能完全满足新电子电力产品的需求，加上全球暖化日益严重，国家能源政策积极向净零碳排放（Net Zero）目标前进，我们关注的焦点是什么？「更节能，更节能」，此外，由于时代的需要，人们追求短、小、轻、薄、易携带，如何缩装产品也是一个大问题。

第三类化合物半导体提供更多选择
碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）两种材料的兴起有助于解决传统硅基组件的困境。第三类化合物半导体具有耐高温、耐高压、快速运行等特点，可广泛应用于电动汽车、电动汽车充电设备、大型风力发电机、太阳能板逆变器、数据中心、手机快速充电、太空卫星、行动基地平台等高功率、高频、高温电子电力系统。

碳化硅（SiC）最大的优点是高温和高崩溃电压耐受性；氮化镓（GaN）稳定性高，熔点高达1700度。除了稳定性、耐高温、耐高压等优点外，它还具有良好的导电性和导热性。它主要用于变压器和充电器领域，如需要大电压的笔电筒和平板电脑，以及需要小电压的手机和手表充电产品，可以有效缩短充电时间。氮化镓（GaN）与硅基组件相比，组件的切换速度是硅基组件的10倍以上Si，更适合高频高效的电子产品，包括5G产品。

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图一 : 小米生产的GaN 65W快速充电器。（source：小米）

2050年净零碳排放（Net Zero）随着目标的临近，各国在交通政策和产业推广方面都朝着燃油汽车电气化的方向发展，推动了整个电动汽车产业。碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）它可以同时应用于汽车工业，特别是碳化硅（SiC）在车载领域和可靠性方面更具优势，主要包括逆变器和车载充电器（OBC）还有直流变压器等。与传统硅基模块效率相比，碳化硅（SiC）可减少约50%的电能转换损耗，降低约20%的电源转换系统成本，提高约4%的电动汽车电池寿命。

带动第三代半导体生产能力的龙头
电动汽车的充电设备和充电基础设施都需要更高效的部件。林若珍指出，碳化硅（SiC）组件市场主要由汽车行业主导，如特斯拉（Tesla）电动车款Model 3.率先应用半导体生产的意法SiC MOSFET，带动多家电动汽车制造商进入SiC材料。Model 3驱动逆变器（Traction Inverter）一些人放弃了传统的绝缘栅双极晶体管（IGBT），首先引入碳化硅（SiC）金属氧化物半导体晶体管（MOSFET），开启全球第三类半导体扩产潮。至于氮化镓（GaN）电力组件市场由消费品(如手机快速充电)、电信/通信(如数据中心、太空卫星通信)和汽车行业(如电动汽车中的小电压)组成DC-DC converter）所带动。

Yole Developpement研究机构报告指出，碳化硅应用于2020-2026年（SiC）氮化镓作为一种功率半导体材料，市场规模增长到45亿美元（GaN）半导体市场规模达11亿美元。预计2027年碳化硅将被估计2027年碳化硅（SiC）氮化镓市场规模可达63亿美元（GaN）2021-2027年，整体氮化镓市场可达20亿美元；（GaN）复合年率组件市场的年增长率（CAGR）碳化硅为59%（SiC）复合年率组件市场的年增长率（CAGR）为34%。氮化镓除了大量消费电源外，还大量使用氮化镓（GaN）氮化镓，功率组件（GaN）导入数据中心和电信设备的功率组件的速度也越来越快。



图二 : 估计碳化硅功率半导体材料的市场规模。（source: Yole Developpemen）




图三 : 市场规模预测氮化镓功率半导体材料。（source: Yole Developpemen）

氮化镓等知名业者（Gan）功率IC龙头纳微半导体（Navitas）、美商Transphorm至于碳化硅，积极与半导体OEM结盟，抢占市场（SiC）以IDM重量级行业主要包括英飞凌（Infineon）、意法半导体（STMicroelectronics）、罗姆半导体（Rohm）等，其中，法半导体同时跨足碳化硅（SiC）、氮化镓（Gan）领域；英飞凌、安森美半导体；（onsemi）则拥有Si、SiC、GaN三种功率技术。

8寸碳化硅晶圆成为兵家必争之地
对第三代半导体的未来发展持乐观态度，主要工厂经常布局。例如，英飞凌今年2月宣布，投资20亿欧元提高第三代半导体的制造能力；安森美半导体宣布，自2024年以来，碳化硅碳化硅的年销售额将达到10亿美元，并计划在2025年之前扩展到目前的10倍以上。据说安森美和特斯拉已经达到了碳化硅（SiC）长期协议。

氮化镓功率半导体全球领导者GaN Systems全氮化镓车辆有助于改善全球暖化问题，提前实现净零碳排放目标。电动汽车的逆变器可以将电池中的直流转换为交流电GaN晶体管能提高能效，行驶里程延长5%以上。有鉴于GaN Systems今年2月，产品在消费电子、电动汽车、数据中心和工业电源领域的应用越来越广泛GaN Systems宣布扩大三倍运营团队规模。




图四 : 全氮化镓车辆实现净零碳排放（Net Zero）目标。（Source：GaN Systems）

据市场估计，未来8寸晶圆和基板可能成为兵家必争之地。除沃孚半导体、罗姆半导体外，Ⅱ-Ⅵ已推出8寸碳化硅基板，英飞凌、意大利半导体、安森美等大厂也积极布局8寸碳化硅晶圆生产线。




图五 : 未来，8寸晶圆和基板可能成为兵家必争之地。（Source：Wolfspeed）

在大规模商业化之前降低成本
但第三类化合物半导体在技术开发和应用上并非完全无缺点，「由于技术发展的限制，第三类半导体的成本尚未达到甜点，每种半导体都有合适的应用类别，不能大量取代硅基半导体市场。」

林若珍进一步解释说，碳化硅的成本很高，主要是因为基板和雷晶的工艺困难。到目前为止，碳化硅晶圆的成本仍然占碳化硅组件的60%左右，需要开发更先进的技术和工艺，以提高碳化硅的产能。氮化镓目前主要开发水平组件，但水平组件GaN在硅基板上，大尺寸晶圆容易开裂，而晶圆尺寸不能大也意味着成本难以降低。

目前，第三类化合物半导体似乎比硅基半导体更符合新兴行业和电子产品的需求，如电动汽车行业追求更高效、更快的充电时间、更长的里程、更轻的产品体积和重量，越来越多的汽车制造商进口SiC材料，并以SiC MOSFET取代传统硅基IGBT。至于消费性3C产品，可见GaN MOSFET逐渐取代Si MOSFET，这些变化都是为了使电子产品更加节能，达到净零碳排名的目的。

IGBT、MOSFET、SiC、GaN的未来
随着5G、高级手机等消费电子产品和电动汽车、绿色能源蓬勃发展，对电源部件的高功率和高压需求必然越来越重要，未来，IGBT、MOSFET、SiC、GaN组件的发展可能有哪些变量？

对此，林若震透过Navitas与传统产品相比，发布的产品信息进一步说明Si组件，一般电厂在电网到发电站(如火力、风力、太阳能等)之间，如果全部重用GaN作为能源转换器(逆变器和转换器)，功率组件可以有效减少碳足迹的4-10倍。如果使用到2050年，每年将节省26亿吨CO2排放量。如今，大多数电源组件都朝向「节能、缩装」目标前进，未来第三类半导体出口主要由电动汽车行业、可再生能源、智能电网等基础电力设备驱动；氮化镓功率KEMET代理可应用于消费品、太空卫星通信或各国数据中心。

各国和地区都希望掌握这些战略材料。然而，晶圆的生产成本占很高的比例。如果晶圆的尺寸能够扩大并实现大规模商业化，碳化硅和氮化镓的市场将会扩大。2022年4月，沃孚半导体碳化硅晶圆龙头厂商（Wolfspeed）纽约已经建立了世界上第一个200mm SiC工厂也是最大的8英寸碳化硅（SiC）为了扩大生产能力，晶圆厂。未来，随着第三类半导体材料产品比例的增加，可以减少更多的能源浪费，实施节能减碳。

林若珍认为，各种类型的半导体都适合应用，无论未来是硅基IGBT、MOSFET或是以SiC为基底的IGBT、MOSFET，根据所需的效率和材料特性，找到合适的应用场。以电动汽车为例，SiC逆变器（Inverter）耐高压、大电流是提高电动汽车电池功率的关键。目前主流是800V碳化硅组件电动汽车，电动汽车电压越高，充电时间越长，电动汽车电池寿命越高；1200V也许将来有机会应用于电动汽车，而1700V及3300V碳化硅组件可用于风力发电或电网传输。在电子设备中使用氮化镓可以更好汽车的变频效果DC-DC converter或者雷达检测端等设备需要电流快速转换，适用于氮化镓材料作为主要应用。

下一代功率半导体
TrendForce研究预测，2022年车用SiC市场规模为10.7亿美元，2026年将攀升至39.4亿美元。工研院产科国际研究所（IEK）调查报告显示，2025年全球化合物半导体市值预计将达到1780亿美元。虽然化合物半导体的市场规模不如第一类硅基半导体，但复合物的年增长率高于第一类半导体。智能手机3D感知，电动车和5G当需求爆发时，电动汽车的半导体功率组件需要更高的转换效率和更高的电压。GaN、SiC）与第二类化合物半导体(如GaAs、InP）、第一类硅基半导体更合适。

总的来说，次世代功率半导体(如SiC、GaN、Ga2O3等)性能优于硅（Si），尤其是SiC由于对信息通信、能源、汽车/电子设备的强烈需求，功率半导体的价值上升。日本富士经济特别针对电动汽车和可再生能源相关功率半导体全球市场调查，由于2030年碳中和和2050年净零碳排名目标，加上电动汽车和可再生能源普及率显著提高，预计2030年市场规模可达5兆3，587亿日圆，推动下一代功率半导体需求，规模预计超过1兆日圆。如果每辆电动汽车需要使用250个功率半导体组件，预计化合物半导体的市场规模将会增长。