功率半导体是一个很卷的市场，现在，材料无疑是最大的赛点。

现在厂商都在不断向高功率密度、低静态电流、高定制以及高智能方向发展，而从过去到现在的功率半导体市场来看，无论是结构，还是集成程度，厂商都已做到极致，作为对制程敏感度更低的功率IC，材料成为成倍加强功率半导体的神兵利器。所以厂商才不遗余力地投入在SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）等第三代半导体和Ga2O3（氧化镓）、金刚石等第四代半导体上。


功率器件的材料演进之路

硅作为最常用的半导体材料之一，占据了功率器件市场的主导地位。它的主要优点是资源丰富、工艺成熟和成本较低。然而，这一材料的电子迁移率较低，耐压和频率上限也相对有限，限制了其在某些高端应用中的使用。

碳化硅（SiC）以其宽禁带特性逐渐在高功率和高温场合受到欢迎。其高耐受电压、低导通损耗和良好的高温性能使其在许多应用中具有优势，正在逐渐蚕食硅的市场份额。但相对较高的成本则是其普及的一大障碍。

氮化镓也是一种宽带隙半导体材料，GaN优点是高电子迁移率，低导通损耗，适合高频应用。但缺点是制造工艺复杂，成本相对较高。

目前市面上主要采用上述这几种材料来制造功率器件，但与此同时，行业也正在不断探索新型材料。尤其是氧化镓和金刚石，这两种材料正在受到越来越多的关注。

氧化镓，作为一种相对较新的半导体材料，相比碳化硅、氮化镓具有更宽的禁带宽度（约 4.9eV 禁带宽度），以及具有 8MV/cm 的理论临界击穿场强。其高击穿电场和较低的损耗显示出巨大的潜力，但由于制造工艺相对不成熟，目前其应用仍处于探索阶段。未来，氧化镓有望在高压和高效的功率转换系统中找到其位置。

金刚石被认为是终极半导体，因为它在许多方面的性能优于市场上的旧材料（如硅、砷化镓）和新材料（如氮化镓和碳化硅）。与其他半导体材料相比，金刚石具有独特的优势。

极高的热导率、优异的电绝缘性能和高温稳定性：金刚石是一种在高温下稳定的材料，其电性能在超过2000°C的温度下不会恶化，远超其他半导体材料。

卓越的电气性能：金刚石的临界电场比硅高30倍，比碳化硅高3倍。与大多数半导体不同，金刚石的电阻率随温度升高而降低，这使其在高温环境中表现出色。

超高电流密度和电压：与硅相比，金刚石的电流密度高出5000倍，电压高出30倍。这使其能够在高温和辐射的恶劣环境下工作，适用于极端条件下的应用。

广泛的应用潜力：尽管制造工艺复杂且成本高昂，金刚石在高温、高压和高功率的极端环境中的潜力仍然巨大。其应用范围涵盖了电动汽车、具有20年长寿命电池的物联网、使用硬化电子元件或探测器的核能和空间应用，以及用于自动驾驶汽车的超精确量子传感器等领域。


碳化硅爬坡，氮化镓增缓

8月28日，矢野研究所的数据显示，宽禁带半导体作为硅的替代材料，越来越多地用于功率半导体，2022年全球宽禁带半导体（基于制造商出货量）约为182.71亿日元，2023年则为268.85亿日元，同比增长47.1%。

从不同材料来看，碳化硅（SiC）市场预计为202.93亿日元（占比75.5%），氮化镓（GaN）为46.47亿日元（占比17.3%），氧化镓（Ga3O2）为5.31亿日元（占比2%），氮化铝（AlN）为10.8亿日元（占比4%），金刚石为3.35亿日元（占比1.2%）。

碳化硅已进入全面增长阶段，汽车应用的全面采用预计将成为3年起市场快速增长的关键；氮化镓目前主要用于LED和LD等照明应用以及高频功率器件应用上具备优异特性，而现在它的问题在于大容量的大规模供应，GaN-on-GaN器件正在高速发展；与碳化硅相比，氧化镓的性能和成本更具潜力，市场玩家数量正在激增，虽然短期研究结果相继发布，但它依然是后来者，并且在掺杂和制备上具有一定问题；氮化铝受深紫外LED、照明影响获得稳固需求提升；金刚石则在快速增长，日本相关厂商正通过IPO筹集资金以提高产能，虽然它是功率半导体的终极追求，但它在掺杂上拥有不小的问题，还在研究之中。

以上研判结论不难看出，碳化硅不仅是现在增长最为迅速的，也是当下产业化阶段走得最顺畅的那一个，市场一片欣欣向荣之势，而氮化镓虽然也在增加，但整体增速并不像碳化硅那样快。

Yole在8月28日发布的报告也有着类似的趋势。

Yole报告显示，随着8英寸时代到来，受到200多亿美元的投资推动，碳化硅（SiC）功率器件市场将在2028年达到90亿美元。其中，汽车市场占比达到74%，其次则是工业、能源、运输、电信和消费，分别占比14%、8%、3%、0.3%、0.1%。

市场增长由三方面驱动：一是电动汽车（BEV）中800V电动汽车（EV）是碳化硅加速关键点；二是电动汽车直流充电（DC）与xEV（带有电动动力系统的车辆HEV与BEV）中，大功率模块化充电器会带来十亿美元的碳化硅市场；三是能源领域在2022年~2028年装机量不断攀升，价值数亿美元的市场即将形成。

GaN市场则在2028年达到20.8亿美元，消费领域本就拥有大量快充市场，2022年~2028年复合增长率保持44%；汽车和通信是GaN两大高速增长市场，汽车领域ADAS汽车LiDAR正在利用100V GaN器件，此外，在动力总成中采用氮化镓已经从可行性问题演变为时间问题，近十年来多数厂商一直专注于车载充电器（OBC）和DC/DC领域展开合作。

整体上来看，2022年，包括分立式器件和模块在内的功率半导体市场总规模可达209亿美元，预计2028年这一市场将增长到333亿美元。其中，分立式器件市场将从2022年的143亿美元，增长到2028年的185亿美元；模块市场也至2028年则会达到148亿美元。

Yole在报告中强调，他们发现一些在氮化镓方面发力的厂商放缓了研发的脚步，以待市场增长后再进一步加大投资。

以电子工程世界角度来看，首先，诸多厂商存在碳化硅长期供应协议，此外，碳化硅厂商整体布局较为激进，因此碳化硅整体增长趋势是必然的。

而氮化镓方面，虽然Yole报告中展现其放缓脚步的一面，但事实上，氮化镓正不断扩大其应用，并在近两年内有望不断突破。原因在两方面：一是氮化镓与原有硅代工路线极为相似，但氮化镓工厂产能扩充不是问题，二是碳化硅大功率优势氮化镓也可以通过多路串联解决，大量厂商也正推出相应的解决方案，用于汽车、PC服务器领域。

从国产方面来看，国产在功率半导体市场相比国外虽有差距，在地缘政治摩擦频发背景下，替代正在加速。由于SiC和GaN整体成本仍与硅基功率半导体有差距，MOSFET、IGBT分立器件和模组仍然会是3~5年内的主流和增长亮点，不过在5G、新能源、智能化汽车拉动下，SiC和GaN市场前景极佳。


强势崛起的第四代半导体

随着2018年特斯拉采用碳化硅（SiC）、2020年小米在快充上使用氮化镓开始，第三代半导体经过三四十年的发展终于获得市场认可迎来发展机遇。此后，第三代半导体在新能源车、消费电子等领域快速发展开来，并逐渐从热门场景向更多拓展场景探索。

而在第三代半导体发展得如火如荼之际，氧化镓、氮化铝、金刚石等第四代半导体材料也开始受到关注，金刚石更因拥有耐高压、大射频、低成本、耐高温等特性，被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，而被称作“终极半导体”。

但其中氮化铝（AlN）和金刚石仍面临大量科学问题亟待解决，氧化镓则成为继第三代半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）之后最具市场潜力的材料，很有可能在未来10年左右称霸市场。

氧化镓 (Ga2O3 ）是一种新型超宽禁带半导体材料，是被国际普遍关注并认可已开启产业化的第四代半导体材料。与碳化硅、氮化镓相比，氧化镓基功率器件具备高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特点。此前被用于光电领域的应用，直到2012年开始，业内对它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究单位都在朝着该方向发展。

当前，半导体材料可以分为四代，第一、二、三、四代半导体材料各有利弊，在特定的应用场景中存在各自的比较优势，但不可否认的是，中国在第一、二代半导体的发展中，无论是在宏观层面的市场份额、企业占位还是在微观层面的制备工艺、器件制造等方面，中国与世界领先水平之间都存在着明显的差距。

而在第四代半导体领域，我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，产业化进程刚刚起步，但是进展飞速，我国科技部于2022年将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，让第四代半导体获得更广泛关注。