芯耀
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作者：方圓
不久前，武漢光谷迎來(lái)了一場(chǎng)重磅活動(dòng)——2025九峰山論壇暨化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)。這場(chǎng)會(huì)議的意義遠(yuǎn)不止于展示與交流。在展會(huì)的背后，一個(gè)更為深遠(yuǎn)的趨勢(shì)正在浮現(xiàn)：化合物半導(dǎo)體正從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，成為推動(dòng)新一輪技術(shù)革命的核心力量。
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的百年歷程中，硅基材料始終是無(wú)可爭(zhēng)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(shì)支撐了全球數(shù)字化進(jìn)程。然而，當(dāng)人類(lèi)社會(huì)向高頻通信、高效能源轉(zhuǎn)換與智能化終端全面躍遷時(shí)，硅的天花板逐漸顯現(xiàn)。此時(shí)，化合物半導(dǎo)體以“后來(lái)者”姿態(tài)登上舞臺(tái)，憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，悄然掀起一場(chǎng)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(dǎo)體物理極限的關(guān)鍵力量。以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，在5G通信、新能源汽車(chē)、人工智能等領(lǐng)域展現(xiàn)出顛覆性潛力。
?01晶圓上的革命
化合物半導(dǎo)體的崛起，離不開(kāi)材料科學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。北京大學(xué)沈波教授團(tuán)隊(duì)在氮化物半導(dǎo)體缺陷控制技術(shù)上的研究，正是這一領(lǐng)域的重要里程碑。他們通過(guò)創(chuàng)新的掃描透射電子顯微鏡（STEM）技術(shù)，成功觀察并控制了氮化鎵（GaN）外延薄膜中位錯(cuò)的原子級(jí)運(yùn)動(dòng)，將材料純度提升至11個(gè)數(shù)量級(jí)。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(shè)備的國(guó)產(chǎn)化鋪平了道路。
與此同時(shí)，華中科技大學(xué)繆向水教授團(tuán)隊(duì)在硫系化合物相變存儲(chǔ)器上的探索，也為存算一體架構(gòu)注入了新的活力。基于非晶-晶態(tài)相變?cè)?，這種新型存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)高效的邏輯運(yùn)算與信息處理，其性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)閃存。這一技術(shù)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(dǎo)體在存儲(chǔ)領(lǐng)域的潛力。
這些技術(shù)突破的背后，是化合物半導(dǎo)體獨(dú)特的物理特性在發(fā)揮作用。以寬禁帶半導(dǎo)體為例，它們的禁帶寬度遠(yuǎn)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(yùn)行。例如，氮化鎵（GaN）的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)則是硅的3倍，這使其成為功率器件領(lǐng)域的理想選擇。
此外，氧化鎵（Ga?O?）作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶寬度高達(dá)4.8eV，遠(yuǎn)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(cè)器中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
從分類(lèi)上看，化合物半導(dǎo)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(yīng)用場(chǎng)景：GaAs因其高電子遷移率，廣泛應(yīng)用于高頻通信和光電子領(lǐng)域；GaN則憑借其卓越的功率性能，在5G基站和快速充電設(shè)備中占據(jù)重要地位；而Ga?O?由于其極高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，正逐步成為下一代功率電子器件的研究熱點(diǎn)。
?02從邊緣走向核心
當(dāng)化合物半導(dǎo)體走出實(shí)驗(yàn)室，其應(yīng)用場(chǎng)景的顛覆性遠(yuǎn)超預(yù)期。過(guò)去十年，化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用經(jīng)歷了從“配角”到“主角”的質(zhì)變。
在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的狂飆突進(jìn)中，碳化硅（SiC）正成為重構(gòu)動(dòng)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(wèn)題日益凸顯，而 SiC 功率模塊的導(dǎo)通電阻僅為硅器件的 1/10，可將電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)，充電樁體積縮小 60%。國(guó)內(nèi)車(chē)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(dǎo)入 SiC 模塊，蔚來(lái) 150kWh 半固態(tài)電池包更依賴(lài) SiC 器件實(shí)現(xiàn) 480kW 超快充技術(shù)。
如果說(shuō)SiC在高壓領(lǐng)域開(kāi)疆拓土，氮化鎵（GaN）則在中低壓場(chǎng)景掀起效率革命。從智能手機(jī)的百瓦級(jí)快充到5G基站的射頻前端，GaN器件以更小體積實(shí)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(shí)現(xiàn)半小時(shí)充滿(mǎn)筆記本電腦，這背后是材料特性帶來(lái)的系統(tǒng)性創(chuàng)新。
更值得關(guān)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(shù)的新型供電系統(tǒng)可將這一數(shù)字提升至98%。對(duì)于年耗電量相當(dāng)于一個(gè)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(wàn)度的能源節(jié)約。在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，GaN正在從消費(fèi)電子配件進(jìn)化為新基建的底層支撐。
?03產(chǎn)業(yè)話(huà)語(yǔ)權(quán)
當(dāng)前全球化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“技術(shù)迭代加速、區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)深化、應(yīng)用場(chǎng)景拓展”的復(fù)雜格局。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Group最新公布的預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2030年，全球化合物半導(dǎo)體器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到約250億美元。
Yole 表示，化合物半導(dǎo)體器件行業(yè)在 2024 年至 2030 年期間處于快速增長(zhǎng)軌道上，復(fù)合年增長(zhǎng)率接近13%，令人印象深刻，超過(guò)了更廣泛的半導(dǎo)體市場(chǎng)。蓬勃發(fā)展的汽車(chē)和移動(dòng)出行行業(yè)推動(dòng)了這種加速，電信、基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)電子產(chǎn)品也帶來(lái)了強(qiáng)勁的勢(shì)頭。
在這種動(dòng)態(tài)背景下，主要半導(dǎo)體參與者對(duì)化合物技術(shù)越來(lái)越感興趣。在過(guò)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(wù)，專(zhuān)注于 SiC。與此同時(shí)，意法半導(dǎo)體、安森美和英飛凌科技擴(kuò)大了對(duì)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(shì)中對(duì)硅片供應(yīng)的依賴(lài)。在 SiC 市場(chǎng)繁榮的同時(shí) ，OEM 對(duì)用于電力電子應(yīng)用的 GaN 表現(xiàn)出更濃厚的興趣。這種興趣導(dǎo)致了格局的變化。據(jù)分析師預(yù)測(cè)，到 2029 年，功率 GaN 市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到 20 億美元以上，5 年復(fù)合年增長(zhǎng)率將保持強(qiáng)勁。截至 2025 年，英諾賽科、Power Integrations 和 Navitas 在功率 GaN 市場(chǎng)處于領(lǐng)先地位。與此同時(shí)，英飛凌和瑞薩電子分別通過(guò)收購(gòu) GaN Systems 和 Transphorm 實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)增長(zhǎng)。
射頻（RF）砷化鎵（GaAs）是第一個(gè)在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中取得成功的化合物半導(dǎo)體，預(yù)計(jì)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(lǐng)著這一市場(chǎng)，其次是 Qorvo 和 Murata（村田），在消費(fèi)類(lèi)終端系統(tǒng)中贏得了設(shè)計(jì)勝利。
全球化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)曾長(zhǎng)期由美日歐主導(dǎo)。美國(guó)Qorvo、日本住友電工、德國(guó)英飛凌等企業(yè)憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈高端環(huán)節(jié)。但近年來(lái)，中國(guó)通過(guò)政策扶持與資本投入，正加速縮短差距。2016年，中國(guó)將化合物半導(dǎo)體列為國(guó)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(guān)注的是，這種追趕并非簡(jiǎn)單復(fù)制。以SiC為例，中國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平。在剛剛結(jié)束的上海車(chē)展上，多家中國(guó)企業(yè)展示了車(chē)規(guī)級(jí)SiC模塊的量產(chǎn)能力，預(yù)示著本土供應(yīng)鏈的成熟。這種“以市場(chǎng)換技術(shù)”的策略，正在改寫(xiě)全球產(chǎn)業(yè)版圖。
目前，我國(guó)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已形成京津冀魯、長(zhǎng)三角、珠三角、閩三角和中部地區(qū)五大重點(diǎn)集聚區(qū)。京津冀魯依托高?？蒲匈Y源，成為技術(shù)創(chuàng)新策源地；長(zhǎng)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(kāi)放市場(chǎng)與資金優(yōu)勢(shì)，吸引技術(shù)資本匯聚；閩三角借助地緣優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)兩岸產(chǎn)業(yè)協(xié)同；中部地區(qū)憑借成本與政策優(yōu)勢(shì)，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(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)陳南翔曾表示，近年來(lái)，隨著化合物半導(dǎo)體在新能源、汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能、軌道交通、移動(dòng)通信及新型顯示等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化和拓展，市場(chǎng)需求呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在市場(chǎng)需求的牽引、技術(shù)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(guó)半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
?04結(jié)語(yǔ)
為了推動(dòng)性能和成本的極限，化合物半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)探索新的材料、平臺(tái)和設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：哪種新興的半導(dǎo)體襯底將是下一個(gè)游戲規(guī)則改變者？答案并不明顯，因?yàn)椴牧峡茖W(xué)家和工業(yè)界正在開(kāi)發(fā)許多新的外延生長(zhǎng)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(jìn)展，化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)將保持持續(xù)增長(zhǎng)，特別是在硅無(wú)法滿(mǎn)足需求的領(lǐng)域。技術(shù)的未來(lái)發(fā)展無(wú)疑將受到化合物半導(dǎo)體的持續(xù)發(fā)展和影響的塑造。
