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主流功率半導體組件爭霸

（2025年1月15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，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聯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，兩者各有優缺點。

MOSFET根據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、風力發電機等大功率、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、小家電變壓器等產品的缺點是無法承受過大的電壓和電流。

在技術開發和應用方面，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？「更節能，更節能」，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、大型風力發電機、太陽能板逆變器、數據中心、手機快速充電、太空衛星、行動基地平臺等高功率、高頻、高溫電子電力系統。

碳化硅（SiC）最大的優點是高溫和高崩潰電壓耐受性；氮化鎵（GaN）穩定性高，熔點高達1700度。除了穩定性、耐高溫、耐高壓等優點外，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品，包括5G產品。

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圖一 : 小米生產的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業推廣方面都朝著燃油汽車電氣化的方向發展，推動了整個電動汽車產業。碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）它可以同時應用于汽車工業，特別是碳化硅（SiC）在車載領域和可靠性方面更具優勢，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主導，如特斯拉（Tesla）電動車款Model 3.率先應用半導體生產的意法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(如數據中心、太空衛星通信)和汽車行業(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，市場規模增長到45億美元（GaN）半導體市場規模達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）導入數據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模。（source: Yole Developpemen）

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

氮化鎵等知名業者（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展持樂觀態度，主要工廠經常布局。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。據說安森美和特斯拉已經達到了碳化硅（SiC）長期協議。

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，產品在消費電子、電動汽車、數據中心和工業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模。

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

據市場估計，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）

在大規模商業化之前降低成本
但第三類化合物半導體在技術開發和應用上并非完全無缺點，「由于技術發展的限制，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，需要開發更先進的技術和工藝，以提高碳化硅的產能。氮化鎵目前主要開發水平組件，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和電子產品的需求，如電動汽車行業追求更高效、更快的充電時間、更長的里程、更輕的產品體積和重量，越來越多的汽車制造商進口SiC材料，并以SiC MOSFET取代傳統硅基IGBT。至于消費性3C產品，可見GaN MOSFET逐漸取代Si MOSFET，這些變化都是為了使電子產品更加節能，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品和電動汽車、綠色能源蓬勃發展，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組件的發展可能有哪些變量？

對此，林若震透過Navitas與傳統產品相比，發布的產品信息進一步說明Si組件，一般電廠在電網到發電站(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，每年將節省26億噸CO2排放量。如今，大多數電源組件都朝向「節能、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、可再生能源、智能電網等基礎電力設備驅動；氮化鎵功率KEMET代理可應用于消費品、太空衛星通信或各國數據中心。

各國和地區都希望掌握這些戰略材料。然而，晶圓的生產成本占很高的比例。如果晶圓的尺寸能夠擴大并實現大規模商業化，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）為了擴大生產能力，晶圓廠。未來，隨著第三類半導體材料產品比例的增加，可以減少更多的能源浪費，實施節能減碳。

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電或電網傳輸。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市場規模為10.7億美元，2026年將攀升至39.4億美元。工研院產科國際研究所（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年市場規模可達5兆3，587億日圓，推動下一代功率半導體需求，規模預計超過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模將會增長。