硅时代渐入瓶颈，化合物半导体成破局关键

不久前，武汉光谷迎来了一场具有深远意义的盛会 ——2025 九峰山论坛暨化合物半导体产业博览会。这场活动不仅仅是行业内的展示与交流平台，其背后更预示着一个重要趋势：化合物半导体正逐步从实验室走向广阔的市场，成为推动新一轮技术革命的核心力量。

在半导体产业长达百年的发展历程中，硅基材料一直占据着主导地位。从晶体管到集成电路的发展，硅凭借其独特的物理特性和规模化生产优势，有力地支撑了全球数字化进程。然而，随着人类社会向高频通信、高效能源转换以及智能化终端等领域全面迈进，硅基材料的局限性逐渐显现。此时，化合物半导体以 “后来者” 的姿态登上历史舞台，凭借其高频、高功率、耐高温等独特性能优势，正在悄然引发一场深刻的产业变革。

以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，凭借其优异的性能，在 5G 通信、新能源汽车、人工智能等领域展现出巨大的应用潜力。这些材料的出现，有望突破硅基半导体的物理极限，为相关产业的发展带来新的机遇。

化合物半导体的崛起离不开材料科学领域的重大突破。北京大学沈波教授团队在氮化物半导体缺陷控制技术方面取得了重要进展。他们利用创新的扫描透射电子显微镜（STEM）技术，成功实现了对氮化镓（GaN）外延薄膜中位错的原子级运动的观察与控制，将材料纯度提升了 11 个数量级。这一成果不仅显著提高了 GaN 基射频器件的性能，还为 5G 基站等高频通信设备的国产化奠定了坚实基础。

与此同时，华中科技大学缪向水教授团队在硫系化合物相变存储器方面的研究也为存算一体架构注入了新的活力。基于非晶 - 晶态相变原理的新型存储器，能够实现高效的逻辑运算和信息处理，其性能远远超过传统闪存。这一技术的出现，为 AI 硬件的革新提供了新的思路，也充分展示了化合物半导体在存储领域的巨大潜力。

化合物半导体独特的物理特性是其发挥作用的关键。以宽禁带半导体为例，它们的禁带宽度远大于传统的硅材料，这使得它们能够在高温、高压等恶劣环境下保持稳定运行。例如，氮化镓（GaN）的击穿电场强度是硅的 10 倍，导热系数是硅的 3 倍，因此成为功率器件领域的理想选择。此外，氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，其禁带宽度高达 4.8eV，远超碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），在下一代高功率器件和深紫外探测器中具有广阔的应用前景。

从分类上看，化合物半导体主要包括三五族（如砷化镓 GaAs、氮化镓 GaN）、二六族（如硫化锌 ZnS）以及氧化物（如氧化镓 Ga₂O₃）等材料体系。不同的材料具有不同的应用场景：GaAs 由于其高电子迁移率，广泛应用于高频通信和光电子领域；GaN 凭借其卓越的功率性能，在 5G 基站和快速充电设备中占据重要地位；而 Ga₂O₃则因其极高的击穿电场强度，成为下一代功率电子器件的研究热点。

当化合物半导体走出实验室，其应用场景的变革远超预期。在过去的十年里，化合物半导体的应用实现了从 “配角” 到 “主角” 的转变。在新能源汽车产业快速发展的背景下，碳化硅（SiC）成为重构动力系统的核心材料。传统硅基 IGBT 器件在高压快充、高温环境下存在能量损耗大的问题，而 SiC 功率模块的导通电阻仅为硅器件的 1/10，可将电机驱动系统的效率提升至 99% 以上。特斯拉 Model 3 率先在主逆变器中采用 24 颗 SiC MOSFET 芯片，使续航里程提升 5%，同时充电桩体积缩小 60%。国内车企也纷纷跟进，比亚迪在 “刀片电池” 配套的电控系统中全面引入 SiC 模块，蔚来 150kWh 半固态电池包则依赖 SiC 器件实现 480kW 超快充技术。

如果说 SiC 在高压领域取得了重要突破，那么氮化镓（GaN）则在中低压场景引发了效率革命。从智能手机的百瓦级快充到 5G 基站的射频前端，GaN 器件以更小的体积实现了更高的功率密度。小米、OPPO 等厂商推出的氮化镓充电器，体积缩小 40% 却能在半小时内充满笔记本电脑，这背后是材料特性带来的系统性创新。更值得关注的是，GaN 在数据中心领域也具有巨大的潜力。传统硅基电源的转换效率约为 92%，而采用 GaN 技术的新型供电系统可将转换效率提升至 98%。对于年耗电量相当于一个小城市的大型数据中心而言，这 5% 的效率提升意味着每年可节约数千万度的能源。在 “双碳” 目标的推动下，GaN 正从消费电子配件逐渐成为新基建的底层支撑。

当前，全球化合物半导体产业呈现出 “技术迭代加速、区域竞争深化、应用场景拓展” 的复杂格局。据市场研究机构 Yole Group 最新预测，到 2030 年，全球化合物半导体器件市场预计将增长到约 250 亿美元。在 2024 年至 2030 年期间，化合物半导体器件行业将处于快速增长阶段，复合年增长率接近 13%，超过了更广泛的半导体市场。蓬勃发展的汽车和移动出行行业，以及电信、基础设施和消费电子产品等领域，都为化合物半导体市场的增长提供了强劲动力。

在这种背景下，主要半导体参与者对化合物技术的关注度不断提高。过去十年，随着功率 SiC 的快速普及，Wolfspeed 剥离了其射频和 LED 业务，专注于 SiC 领域。意法半导体、安森美和英飞凌科技等企业也加大了对碳化硅的投资，采用垂直整合的商业模式，以减少地缘政治紧张局势对硅片供应的影响。与此同时，OEM 对用于电力电子应用的 GaN 表现出了更浓厚的兴趣。分析师预测，到 2029 年，功率 GaN 市场预计将增长到 20 亿美元以上，5 年复合年增长率将保持强劲。截至 2025 年，英诺赛科、Power Integrations 和 Navitas 在功率 GaN 市场处于领先地位。英飞凌和瑞萨电子分别通过收购 GaN Systems 和 Transphorm 实现了业务的拓展。

射频（RF）砷化镓（GaAs）是第一个在消费类应用中取得成功的化合物半导体，预计到 2025 年将拥有完善的生态系统。目前，射频器件大厂 Skyworks 在这一市场占据领先地位，其次是 Qorvo 和 Murata（村田），它们在消费类终端系统中赢得了众多设计订单。

全球化合物半导体产业曾经长期由美日欧等国家和地区主导。美国 Qorvo、日本住友电工、德国英飞凌等企业凭借先发优势，占据了产业链的高端环节。然而，近年来，中国通过政策扶持和资本投入，正在加速缩小与国际先进水平的差距。2016 年，中国将化合物半导体列为国家战略新兴产业，华为、三安光电、比亚迪等企业纷纷布局，形成了从衬底材料到器件制造的完整产业链。

值得一提的是，中国企业的追赶并非简单的复制。以 SiC 为例，中国企业在 8 英寸晶圆良率、衬底成本控制等方面已经取得了重要突破，部分产品的性能已经接近国际先进水平。在刚刚结束的上海车展上，多家中国企业展示了车规级 SiC 模块的量产能力，这标志着本土供应链的逐渐成熟。这种 “以市场换技术” 的策略，正在改变全球产业格局。

目前，我国化合物半导体产业已经形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角和中部地区五大重点集聚区。京津冀鲁地区依托高校科研资源，成为技术创新的源头；长三角地区凭借完备的工业体系，发展成为产品生产的重要基地；珠三角地区以开放的市场和丰富的资金优势，吸引了大量的技术和资本；闽三角地区借助地缘优势，推动了两岸产业的协同发展；中部地区则凭借成本和政策优势，成为新兴的发展区域，其中武汉光谷打造了科研 - 中试 - 生产一体化的产业基地。

中国半导体行业协会理事长陈南翔表示，近年来，随着化合物半导体在新能源、汽车、光伏、储能、轨道交通、移动通信及新型显示等多个领域的应用不断深化和拓展，市场需求呈现出快速增长的趋势。在市场需求的拉动、技术创新的推动以及产业链的集聚发展等因素的共同作用下，我国化合物半导体产业正处于高速发展阶段，形成了一批具有一定国际竞争力的龙头企业。

为了不断突破性能和成本的限制，化合物半导体行业正在持续探索新的材料、平台和设计。目前，一个关键问题是：哪种新兴的半导体衬底将成为下一个改变游戏规则的技术？答案尚不明确，因为材料科学家和工业界正在研发多种新的外延生长衬底，包括 Ga₂O₃、金刚石、体 GaN、GaSb、InSb、体 AlN、smartSiC 和基于多晶 AlN 的工程衬底等。

综合考虑这些进展，化合物半导体市场将保持持续增长，特别是在硅基材料无法满足需求的领域。可以预见，化合物半导体的持续发展将对未来技术的发展产生深远影响。