硅不夠用了，接下來靠什么？

作者：方圓

不久前，武漢光谷迎來了一場重磅活動——2025九峰山論壇暨化合物半導體產(chǎn)業(yè)博覽會。這場會議的意義遠不止于展示與交流。在展會的背后，一個更為深遠的趨勢正在浮現(xiàn)：化合物半導體正從實驗室走向市場，成為推動新一輪技術革命的核心力量。

在半導體產(chǎn)業(yè)的百年歷程中，硅基材料始終是無可爭議的主角。從晶體管到集成電路，硅的物理特性與規(guī)?；瘍?yōu)勢支撐了全球數(shù)字化進程。然而，當人類社會向高頻通信、高效能源轉(zhuǎn)換與智能化終端全面躍遷時，硅的天花板逐漸顯現(xiàn)。此時，化合物半導體以“后來者”姿態(tài)登上舞臺，憑借其獨特的性能優(yōu)勢，悄然掀起一場靜默卻深刻的產(chǎn)業(yè)革命。

憑借高頻、高功率、耐高溫的特性，其正成為突破硅基半導體物理極限的關鍵力量。以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料，在5G通信、新能源汽車、人工智能等領域展現(xiàn)出顛覆性潛力。

?01晶圓上的革命

化合物半導體的崛起，離不開材料科學領域的突破性進展。北京大學沈波教授團隊在氮化物半導體缺陷控制技術上的研究，正是這一領域的重要里程碑。他們通過創(chuàng)新的掃描透射電子顯微鏡（STEM）技術，成功觀察并控制了氮化鎵（GaN）外延薄膜中位錯的原子級運動，將材料純度提升至11個數(shù)量級。這一成果不僅顯著提升了GaN基射頻器件的性能，還為5G基站等高頻通信設備的國產(chǎn)化鋪平了道路。

與此同時，華中科技大學繆向水教授團隊在硫系化合物相變存儲器上的探索，也為存算一體架構注入了新的活力?；诜蔷?晶態(tài)相變原理，這種新型存儲器能夠?qū)崿F(xiàn)高效的邏輯運算與信息處理，其性能遠超傳統(tǒng)閃存。這一技術的出現(xiàn)，不僅為AI硬件的革新提供了新思路，也展示了化合物半導體在存儲領域的潛力。

這些技術突破的背后，是化合物半導體獨特的物理特性在發(fā)揮作用。以寬禁帶半導體為例，它們的禁帶寬度遠大于傳統(tǒng)的硅材料，使其能夠在高溫、高壓環(huán)境下保持穩(wěn)定運行。例如，氮化鎵（GaN）的擊穿電場強度是硅的10倍，導熱系數(shù)則是硅的3倍，這使其成為功率器件領域的理想選擇。

此外，氧化鎵（Ga?O?）作為一種超寬禁帶半導體，其禁帶寬度高達4.8eV，遠超碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。這種特性使其在下一代高功率器件和深紫外探測器中展現(xiàn)出巨大的應用前景。

從分類上看，化合物半導體主要包括三五族（如砷化鎵GaAs、氮化鎵GaN）、二六族（如硫化鋅ZnS）以及氧化物（如氧化鎵Ga?O?）等材料體系。每種材料都有其特定的應用場景：GaAs因其高電子遷移率，廣泛應用于高頻通信和光電子領域；GaN則憑借其卓越的功率性能，在5G基站和快速充電設備中占據(jù)重要地位；而Ga?O?由于其極高的擊穿電場強度，正逐步成為下一代功率電子器件的研究熱點。

?02從邊緣走向核心

當化合物半導體走出實驗室，其應用場景的顛覆性遠超預期。過去十年，化合物半導體的應用經(jīng)歷了從“配角”到“主角”的質(zhì)變。

在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的狂飆突進中，碳化硅（SiC）正成為重構動力系統(tǒng)的核心材料。傳統(tǒng)硅基 IGBT 器件在高壓快充、高溫環(huán)境下的能量損耗問題日益凸顯，而 SiC 功率模塊的導通電阻僅為硅器件的 1/10，可將電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率提升至 99% 以上。特斯拉 Model 3 率先在主逆變器中采用 24 顆 SiC MOSFET 芯片，使續(xù)航里程提升 5% 的同時，充電樁體積縮小 60%。國內(nèi)車企緊隨其后，比亞迪在 "刀片電池" 配套的電控系統(tǒng)中全面導入 SiC 模塊，蔚來 150kWh 半固態(tài)電池包更依賴 SiC 器件實現(xiàn) 480kW 超快充技術。

如果說SiC在高壓領域開疆拓土，氮化鎵（GaN）則在中低壓場景掀起效率革命。從智能手機的百瓦級快充到5G基站的射頻前端，GaN器件以更小體積實現(xiàn)更高功率密度。小米、OPPO等廠商推出的氮化鎵充電器，體積縮減40%卻能實現(xiàn)半小時充滿筆記本電腦，這背后是材料特性帶來的系統(tǒng)性創(chuàng)新。

更值得關注的是GaN在數(shù)據(jù)中心的潛力。傳統(tǒng)硅基電源的轉(zhuǎn)換效率約為92%，而采用GaN技術的新型供電系統(tǒng)可將這一數(shù)字提升至98%。對于年耗電量相當于一個小城市的大型數(shù)據(jù)中心而言，這5%的效率提升意味著每年數(shù)千萬度的能源節(jié)約。在“雙碳”目標驅(qū)動下，GaN正在從消費電子配件進化為新基建的底層支撐。

?03產(chǎn)業(yè)話語權

當前全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“技術迭代加速、區(qū)域競爭深化、應用場景拓展”的復雜格局。據(jù)市場研究機構Yole Group最新公布的預測報告顯示，預計到2030年，全球化合物半導體器件市場預計將增長到約250億美元。

Yole 表示，化合物半導體器件行業(yè)在 2024 年至 2030 年期間處于快速增長軌道上，復合年增長率接近13%，令人印象深刻，超過了更廣泛的半導體市場。蓬勃發(fā)展的汽車和移動出行行業(yè)推動了這種加速，電信、基礎設施和消費電子產(chǎn)品也帶來了強勁的勢頭。

在這種動態(tài)背景下，主要半導體參與者對化合物技術越來越感興趣。在過去十年中，隨著功率SiC的快速普及，Wolfspeed 剝離了其射頻和 LED 業(yè)務，專注于 SiC。與此同時，意法半導體、安森美和英飛凌科技擴大了對碳化硅的投資，采用垂直整合的商業(yè)模式，以減少地緣政治緊張局勢中對硅片供應的依賴。在 SiC 市場繁榮的同時 ，OEM 對用于電力電子應用的 GaN 表現(xiàn)出更濃厚的興趣。這種興趣導致了格局的變化。據(jù)分析師預測，到 2029 年，功率 GaN 市場預計將增長到 20 億美元以上，5 年復合年增長率將保持強勁。截至 2025 年，英諾賽科、Power Integrations 和 Navitas 在功率 GaN 市場處于領先地位。與此同時，英飛凌和瑞薩電子分別通過收購 GaN Systems 和 Transphorm 實現(xiàn)了無機增長。

射頻（RF）砷化鎵（GaAs）是第一個在消費類應用中取得成功的化合物半導體，預計到 2025 年將擁有完善的生態(tài)系統(tǒng)。目前射頻器件大廠Skyworks 引領著這一市場，其次是 Qorvo 和 Murata（村田），在消費類終端系統(tǒng)中贏得了設計勝利。

全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)曾長期由美日歐主導。美國Qorvo、日本住友電工、德國英飛凌等企業(yè)憑借先發(fā)優(yōu)勢，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈高端環(huán)節(jié)。但近年來，中國通過政策扶持與資本投入，正加速縮短差距。2016年，中國將化合物半導體列為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，華為、三安光電、比亞迪等企業(yè)紛紛布局，形成了從襯底材料到器件制造的完整鏈條。

值得關注的是，這種追趕并非簡單復制。以SiC為例，中國企業(yè)在8英寸晶圓良率、襯底成本控制等環(huán)節(jié)已取得突破，部分產(chǎn)品性能接近國際先進水平。在剛剛結束的上海車展上，多家中國企業(yè)展示了車規(guī)級SiC模塊的量產(chǎn)能力，預示著本土供應鏈的成熟。這種“以市場換技術”的策略，正在改寫全球產(chǎn)業(yè)版圖。

目前，我國化合物半導體產(chǎn)業(yè)已形成京津冀魯、長三角、珠三角、閩三角和中部地區(qū)五大重點集聚區(qū)。京津冀魯依托高校科研資源，成為技術創(chuàng)新策源地；長三角憑借完備工業(yè)體系，發(fā)展為產(chǎn)品生產(chǎn)重鎮(zhèn)；珠三角以開放市場與資金優(yōu)勢，吸引技術資本匯聚；閩三角借助地緣優(yōu)勢，推動兩岸產(chǎn)業(yè)協(xié)同；中部地區(qū)憑借成本與政策優(yōu)勢，崛起為新興發(fā)展極，其中武漢光谷打造出科研- 中試 - 生產(chǎn)一體化產(chǎn)業(yè)基地。

中國半導體行業(yè)協(xié)會理事長陳南翔曾表示，近年來，隨著化合物半導體在新能源、汽車、光伏、儲能、軌道交通、移動通信及新型顯示等多個領域的應用不斷深化和拓展，市場需求呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。在市場需求的牽引、技術突破、創(chuàng)新的突破，以及產(chǎn)業(yè)鏈的聚集發(fā)展的共同作用下，我國半導體化合物半導體產(chǎn)業(yè)正處在高速發(fā)展階段，形成了一批龍頭企業(yè)，具備了一定的國際競爭力。

?04結語

為了推動性能和成本的極限，化合物半導體行業(yè)繼續(xù)探索新的材料、平臺和設計?，F(xiàn)在一個關鍵問題是：哪種新興的半導體襯底將是下一個游戲規(guī)則改變者？答案并不明顯，因為材料科學家和工業(yè)界正在開發(fā)許多新的外延生長襯底，包括Ga?O?、金剛石、體GaN、GaSb、InSb、體AlN、smartSiC和基于多晶AlN的工程襯底。

考慮到所有這些進展，化合物半導體市場將保持持續(xù)增長，特別是在硅無法滿足需求的領域。技術的未來發(fā)展無疑將受到化合物半導體的持續(xù)發(fā)展和影響的塑造。