硅不夠用了，接下來靠什麼？

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業博覽會。這場會議的意義遠不止於展示與交流。在展會的背後，一個更爲深遠的趨勢正在浮現：化合物半導體正從實驗室走向市場，成爲推動新一輪技術革命的核心力量。

在半導體產業的百年曆程中，硅基材料始終是無可爭議的主角。從晶體管到集成電路，硅的物理特性與規模化優勢支撐了全球數字化進程。然而，當人類社會向高頻通信、高效能源轉換與智能化終端全面躍遷時，硅的天花板逐漸顯現。此時，化合物半導體以“後來者”姿態登上舞臺，憑藉其獨特的性能優勢，悄然掀起一場靜默卻深刻的產業革命。

憑藉高頻、高功率、耐高溫的特性，其正成爲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）爲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出顛覆性潛力。

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。他們通過創新的掃描透射電子顯微鏡（STEM）技術，成功觀察並控制了氮化鎵（GaN）外延薄膜中位錯的原子級運動，將材料純度提升至11個數量級。這一成果不僅顯著提升了GaN基射頻器件的性能，還爲5G基站等高頻通信設備的國產化鋪平了道路。

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，也爲存算一體架構注入了新的活力。基於非晶-晶態相變原理，這種新型存儲器能夠實現高效的邏輯運算與信息處理，其性能遠超傳統閃存。這一技術的出現，不僅爲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。

這些技術突破的背後，是化合物半導體獨特的物理特性在發揮作用。以寬禁帶半導體爲例，它們的禁帶寬度遠大於傳統的硅材料，使其能夠在高溫、高壓環境下保持穩定運行。例如，氮化鎵（GaN）的擊穿電場強度是硅的10倍，導熱係數則是硅的3倍，這使其成爲功率器件領域的理想選擇。

此外，氧化鎵（Ga₂O₃）作爲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Ga₂O₃）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，廣泛應用於高頻通信和光電子領域；GaN則憑藉其卓越的功率性能，在5G基站和快速充電設備中佔據重要地位；而Ga₂O₃由於其極高的擊穿電場強度，正逐步成爲下一代功率電子器件的研究熱點。

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歷了從“配角”到“主角”的質變。

在新能源汽車產業的狂飆突進中，碳化硅（SiC）正成爲重構動力系統的核心材料。傳統硅基 IGBT 器件在高壓快充、高溫環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爲硅器件的 1/10，可將電機驅動系統的效率提升至 99% 以上。特斯拉 Model 3 率先在主逆變器中採用 24 顆 SiC MOSFET 芯片，使續航里程提升 5% 的同時，充電樁體積縮小 60%。國內車企緊隨其後，比亞迪在 "刀片電池" 配套的電控系統中全面導入 SiC 模塊，蔚來 150kWh 半固態電池包更依賴 SiC 器件實現 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%卻能實現半小時充滿筆記本電腦，這背後是材料特性帶來的系統性創新。

更值得關注的是GaN在數據中心的潛力。傳統硅基電源的轉換效率約爲92%，而採用GaN技術的新型供電系統可將這一數字提升至98%。對於年耗電量相當於一個小城市的大型數據中心而言，這5%的效率提升意味着每年數千萬度的能源節約。在“雙碳”目標驅動下，GaN正在從消費電子配件進化爲新基建的底層支撐。

產業話語權

當前全球化合物半導體產業呈現“技術迭代加速、區域競爭深化、應用場景拓展”的複雜格局。據市場研究機構Yole Group最新公佈的預測報告顯示，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在 2024 年至 2030 年期間處於快速增長軌道上，複合年增長率接近13%，令人印象深刻，超過了更廣泛的半導體市場。蓬勃發展的汽車和移動出行行業推動了這種加速，電信、基礎設施和消費電子產品也帶來了強勁的勢頭。

在這種動態背景下，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，隨着功率SiC的快速普及，Wolfspeed 剝離了其射頻和 LED 業務，專注於 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，採用垂直整合的商業模式，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 對用於電力電子應用的 GaN 表現出更濃厚的興趣。這種興趣導致了格局的變化。據分析師預測，到 2029 年，功率 GaN 市場預計將增長到 20 億美元以上，5 年複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 市場處於領先地位。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系統。目前射頻器件大廠Skyworks 引領着這一市場，其次是 Qorvo 和 Murata（村田），在消費類終端系統中贏得了設計勝利。

全球化合物半導體產業曾長期由美日歐主導。美國Qorvo、日本住友電工、德國英飛凌等企業憑藉先發優勢，佔據產業鏈高端環節。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爲國家戰略新興產業，華爲、三安光電、比亞迪等企業紛紛佈局，形成了從襯底材料到器件製造的完整鏈條。

值得關注的是，這種追趕並非簡單複製。以SiC爲例，中國企業在8英寸晶圓良率、襯底成本控制等環節已取得突破，部分產品性能接近國際先進水平。在剛剛結束的上海車展上，多家中國企業展示了車規級SiC模塊的量產能力，預示着本土供應鏈的成熟。這種“以市場換技術”的策略，正在改寫全球產業版圖。

目前，我國化合物半導體產業已形成京津冀魯、長三角、珠三角、閩三角和中部地區五大重點集聚區。京津冀魯依託高校科研資源，成爲技術創新策源地；長三角憑藉完備工業體系，發展爲產品生產重鎮；珠三角以開放市場與資金優勢，吸引技術資本匯聚；閩三角藉助地緣優勢，推動兩岸產業協同；中部地區憑藉成本與政策優勢，崛起爲新興發展極，其中武漢光谷打造出科研- 中試 - 生產一體化產業基地。

中國半導體行業協會理事長陳南翔曾表示，近年來，隨着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，市場需求呈現出快速增長的趨勢。在市場需求的牽引、技術突破、創新的突破，以及產業鏈的聚集發展的共同作用下，我國半導體化合物半導體產業正處在高速發展階段，形成了一批龍頭企業，具備了一定的國際競爭力。

結語

爲了推動性能和成本的極限，化合物半導體行業繼續探索新的材料、平臺和設計。現在一個關鍵問題是：哪種新興的半導體襯底將是下一個遊戲規則改變者？答案並不明顯，因爲材料科學家和工業界正在開發許多新的外延生長襯底，包括Ga₂O₃、金剛石、體GaN、GaSb、InSb、體AlN、smartSiC和基於多晶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增長，特別是在硅無法滿足需求的領域。技術的未來發展無疑將受到化合物半導體的持續發展和影響的塑造。