芯耀
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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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博覽會。這場會議的意義遠(yuǎn)不止于展示與交流。在展會的背后，一個更為深遠(yuǎn)的趨勢正在浮現(xiàn)：化合物半導(dǎo)體正從實驗室走向市場，成為推動新一輪技術(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(jìn)程。然而，當(dāng)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(dǎo)體以“后來者”姿態(tài)登上舞臺，憑借其獨(dú)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(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、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）外延薄膜中位錯的原子級運(yùn)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(shè)備的國產(chǎn)化鋪平了道路。
與此同時，華中科技大學(xué)繆向水教授團(tuán)隊在硫系化合物相變存儲器上的探索，也為存算一體架構(gòu)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(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器中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
從分類上看，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強(qiáng)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(dāng)化合物半導(dǎo)體走出實驗室，其應(yīng)用場景的顛覆性遠(yuǎn)超預(yù)期。過去十年，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。
在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的狂飆突進(jìn)中，碳化硅（SiC）正成為重構(gòu)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(dǎo)通電阻僅為硅器件的 1/10，可將電機(jī)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(dǎo)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(shù)。
如果說SiC在高壓領(lǐng)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(jī)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(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%。對于年耗電量相當(dāng)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(biāo)驅(qū)動下，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)話語權(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)域競爭深化、應(yīng)用場景拓展”的復(fù)雜格局。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Yole Group最新公布的預(yù)測報告顯示，預(yù)計到2030年，全球化合物半導(dǎo)體器件市場預(yù)計將增長到約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軌道上，復(fù)合年增長率接近13%，令人印象深刻，超過了更廣泛的半導(dǎo)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(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)電子產(chǎn)品也帶來了強(qiáng)勁的勢頭。
在這種動態(tài)背景下，主要半導(dǎo)體參與者對化合物技術(shù)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(wù)，專注于 SiC。與此同時，意法半導(dǎo)體、安森美和英飛凌科技擴(kuò)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(yīng)的依賴。在 SiC 市場繁榮的同時 ，OEM 對用于電力電子應(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，到 2029 年，功率 GaN 市場預(yù)計將增長到 20 億美元以上，5 年復(fù)合年增長率將保持強(qiáng)勁。截至 2025 年，英諾賽科、Power Integrations 和 Navitas 在功率 GaN 市場處于領(lǐng)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(jī)增長。
射頻（RF）砷化鎵（GaAs）是第一個在消費(fèi)類應(yīng)用中取得成功的化合物半導(dǎo)體，預(yù)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(lǐng)著這一市場，其次是 Qorvo 和 Murata（村田），在消費(fèi)類終端系統(tǒng)中贏得了設(shè)計勝利。
全球化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)曾長期由美日歐主導(dǎo)。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(dǎo)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(guān)注的是，這種追趕并非簡單復(fù)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(jìn)水平。在剛剛結(jié)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(yù)示著本土供應(yīng)鏈的成熟。這種“以市場換技術(shù)”的策略，正在改寫全球產(chǎn)業(yè)版圖。
目前，我國化合物半導(dǎo)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?？蒲匈Y源，成為技術(shù)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)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(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)，具備了一定的國際競爭力。
?04結(jié)語
為了推動性能和成本的極限，化合物半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)探索新的材料、平臺和設(shè)計?，F(xiàn)在一個關(guān)鍵問題是：哪種新興的半導(dǎo)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(xué)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(jìn)展，化合物半導(dǎo)體市場將保持持續(xù)增長，特別是在硅無法滿足需求的領(lǐng)域。技術(shù)的未來發(fā)展無疑將受到化合物半導(dǎo)體的持續(xù)發(fā)展和影響的塑造。
