第三代半導體掀起全球擴產潮

如果說PC、智能手機的普及是硅半導體的革命，目前在全球掀起擴產潮的第三代半導體碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）正在尋找下一個落地應用的風口。

第三代半導體主要指具有寬帶隙特性（注：帶隙主要指是指半導體材料中電子從價帶躍遷到導帶所需的最小能量，大於2.5eV爲寬帶隙，硅的帶隙約爲1.1 eV，鍺爲0.66eV）的半導體材料，因此又稱寬禁帶半導體，主要包括碳化硅（SiC，帶隙爲3.2eV）、氮化鎵（GaN,，帶隙爲3.4eV）。

與第一代半導體硅（Si）和第二代半導體砷化鎵（GaAs）相比，第三代半導體在高溫、高壓、高頻這一類的極端條件下工作更穩定且消耗能量更少，具備更好的性能表現。

近些年隨着硅晶體管尺寸逼近物理極限，通過縮小晶體管尺寸來提高集成電路性能的方法變得越來難走通，第三代半導體成爲了行業探索的新材料方向。

作爲新技術，第三代半導體的成本整體遠高於傳統的硅材料。同樣生產一個功率半導體元器件，碳化硅的價格是硅的3到5倍，氮化鎵成本相對更高。因此按照行業曾經探索降低硅的成本走過的“研發-量產-降低成本-大規模應用”規模化道路，目前圍繞碳化硅與氮化鎵的落地，全球正在掀起擴產潮。

碳化硅的發展速度整體快於氮化鎵。近些年來碳化硅被特斯拉等新能源汽車廠商大規模引入車用功率半導體領域，用來生產車載充電器和DC/DC轉換器等關鍵部件。這些應用有助於提高電動汽車的性能，包括增加續航里程、縮短充電時間和提高整體能效。

隨着碳化硅的加速上車，汽車電子巨頭都在加大範圍都在大範圍擴產，其中以功率半導體巨頭英飛凌擴產動作最多。

今年8月，英飛凌在馬來西亞居林建設的全球最大的200毫米碳化硅 (SiC) 功率半導體晶圓廠新工廠一期項目開業，這也是目前爲止全球最大的200毫米碳化硅晶圓廠。按照英飛凌的規劃，公司計劃五年內向居林工廠投資50億歐元，目標是到2030年之前，在全球碳化硅市場中所佔的份額提高到30%，碳化硅年收入超過70億歐元。

除新能源汽車外，碳化硅的應用逐漸滲透進入光伏、儲能等領域，目前全球碳化硅市場由幾家國際廠商主導，英飛凌、意法半導體、Wolfspeed、Rohm、Onsemi這五家家公司佔有大約70%的市場份額。國內企業如天嶽先進、士蘭微、瀚天天成、山東天承等也在積極擴產，在市場中佔據一席之地。

與碳化硅相比，氮化鎵在規模與發展速度上有一定差距，應用成本也相對高。但近些年行業也在加速整合，開拓市場。

氮化鎵由於可以在更小的尺寸下提供更高的功率輸出，最早便被引入消費電子領域，用來生產PC及智能手機所用的小功率電子產品，如快充充電器、5G通信和WiFi器件，目前也被被引入自動駕駛激光雷達、數據中心、光伏等大功率工業設備應用市場。

此外，氮化鎵還具有特殊的優勢。氮化鎵晶體可以在各種襯底上生長，包括藍寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。生產氮化鎵可以使用現有的硅製造基礎設施，從而無需使用成本很高的特定生產設施，而且可採用低成本、大直徑的硅晶片。

美國一家做氮化鎵功率器件的公司EPC創始人Alex Lidow近期接受界面新聞採訪時介紹，目前行業普遍可以利用原有的硅芯片廠設備生產氮化鎵，不需要大規模投資建設新廠，這也在一定程度上降低了氮化鎵落地的門檻。

Alex Lidow告訴記者，公司自2007年成立以來，其所生產的氮化鎵產品已經廣泛應用在許多領域，其中自動駕駛激光雷達、數據中心服務器是佔比最大的兩塊應用設備市場，隨着生成式AI目前帶動數據中心行業的爆發式增長，未來會進一步加快氮化鎵產品的普及。

在此過程中，氮化鎵的成本也進一步下探，價格有希望逼近甚至比碳化硅更低。據其介紹，在2015年左右，EPC推出的氮化鎵功率半導體eGaNFET在相同功率情況下已經可以做到與功率MOSFET不相上下的價格優勢。

對於氮化鎵的下一個風口，Alex Lidow最看好人形機器人的應用前景。由於人形機機器人自由度急劇上升，對電機驅動器的需求量大幅增加。爲了獲得更高的爆發力，需要配置高功率密度、高效率的電機驅動器，氮化鎵的優勢就在於此。他認爲，人形機器人身上許多關鍵零部件都更適合用氮化鎵。雖然目前人形機器人的絕對數量還不夠多，未來應用前景尚不明朗，但隨着特斯拉以及中國人形機器人公司都在爲量產計劃做準備，氮化鎵公司作爲供應商有希望分到這個市場的第一波紅利。

Alex Lidow曾在傳統硅半導體時代作爲HEXFET功率MOSFET（六角形場效應晶體管）的共同發明者，擁有三十多項功率半導體技術專利。在他看來，硅半導體器件在性能和效率的提高上已經達到了瓶頸期，碳化硅、氮化鎵伴隨行業擴產的進程會加速普及。EPC目前最重要的兩大市場分別是美國、中國。中國當前也是全球推動第三代半導體發展的重要國家力量。