2025年碳化硅功率半导体器件市场的价值链及市场规模
思瀚产业研究院 天域半導體    2025-07-28

功率半导体器件是电力电子产品中用作开关或整流器的半导体器件。在电子元件中，功率半导体器件是需要外部电源才能主动工作的电子器件。用于制造功率半导体器件的材料主要操纵、放大、开关或控制电路中电流或电压的流动。

功率半导体器件，包括二极管、晶体管、晶闸管及传感器，是电子系统中管理电力的关键。它们需要电源来执行其角色，包括整流、开关、放大讯号及传感电气参数。该等元件对于从电子消费品到工业机械等各种应用均为不可或缺，可确保高效率的电源管理及系统效能。

近年来，全球功率半导体器件行业经历了大幅增长。由于行业努力达成更高的能源效率并减少其碳足迹，功率半导体已成为电源供应、马达驱动及可再生能源系统等应用中不可或缺的元件。技术进步及半导体制造过程的不断发展是全球功率半导体器件市场成长的主要驱动力。碳化硅及氮化镓等宽禁带半导体的发展提高了半导体器件的效率及功率密度。

功率半导体器件的主要元件

外延片

外延片是生产功率半导体器件的关键原材料。基本上，外延片是透过在衬底表面形成各种层来制成，以增强衬底的性能特性，例如更强的电流耐受性、更高的电压耐受性以及操作稳定性。外延片的发展一直在演变，标志著重大技术进步。外延片从最初的硅(Si)发展到以碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)为代表的新一代材料，反映了行业对更高效及性能的追求。

因此，外延片可根据不同元素进行分类，如硅、碳化硅及氮化镓。其他外延片材料还包括锗(Ge)、砷化镓(GaAs)及磷化铟(InP)。根据弗若斯特沙利文的资料，于上述材料中，碳化硅因其优异的物理特性（如优异的效率及热传导性）在制造外延片方面佔据主导地位，并预计其他半导体材料短期内仍无法替代。

衬底

衬底是透过于衬底上生长外延层制成外延片的基片。该等外延层对提升功率半导体器件之质量及性能特徵至关重要，因其可处理衬底固有缺陷，旨在实现功率半导体器件之能效提升与性能优化。故外延片并非衬底的一种，相反，外延片由衬底制成并属功率半导体器件终端生产制程中不可或缺之后续关键阶段。

半导体材料的分类与主要功率半导体材料的比较

硅 — 第一代半导体材料。硅是第一代发展及应用相对成熟的主要半导体材料之一。硅储量丰富，具有经济成本优势，主要用于逻辑及记忆芯片。然而，随著硅的技术及性能逐渐达到极限，其发展面临瓶颈。受限于低频率、高电压无电阻、散热性差、功率容量不足等限制及瓶颈因素，硅难以调和功率密度与转换效率的矛盾，无法满足电动汽车（“电动汽车”）、电子消费品快速充电、电源管理及数据中心等新兴应用对高功率密度及高转换效率的普遍需求。

砷化镓 — 第二代半导体材料。砷化镓为第二代主要半导体材料之一，其特点是优异的电子迁移率及饱和电子速度。砷化镓相对较窄的禁带限制了其在高功率及高温条件下的能力。狭窄的禁带意味著在极端温度或电压下更容易发生故障，从而限制了其在高功率场景下的性能。因此，第二代半导体材料无法满足电力革命所带来的高频及高电压需求。

氮化镓 — 第三代半导体材料。与硅相比，氮化镓在若干方面的性能显著提高。其拥有宽禁带、高电子迁移率、高开关频率、低导通电阻以及更强的耐高电压及耐高温等整体优势。然而，缺乏热传导性限制了氮化镓器件在高功率密度下运作时的收缩能力。

碳化硅 — 第三代半导体材料。与第一代及第二代半导体材料相比，碳化硅具有更宽的禁带，适用于高电压及高温环境。更高的热传导性结合宽禁带及高临界场，使碳化硅功率半导体在以高功率为主要理想器件特性时具有优势。碳化硅功率半导体器件是由碳化硅外延片制造而成，特指同质外延结构，即在高品质的碳化硅衬底上覆盖一层碳化硅外延层。该精确的分层过程可确保高度的结晶排列，从而将缺陷降至最低，并提升材料的整体品质。同质外延结构具有优异的热导性及电导性，同时能够承受高温及高电压，因此非常适合在电力电子应用中高效可靠地运行。

硅是保留的传统技术，在频率及电压方面均有较低的耐受性。碳化硅及氮化镓是具有不同特性及应用场景的材料。碳化硅较多应用于高电压场景，而氮化镓在低功率供应场景具有显著优势。就商业应用而言，考虑到整体解决方案成本，碳化硅预计将比氮化镓在以下应用中取得更广泛的渗透率，例如电力供应、铁路及电动汽车电力电子。

碳化硅功率半导体器件市场的价值链

价值链的上游分部由衬底供应商及外延片供应商组成。外延片供应商向衬底供应商採购衬底，用于生产外延片。由于碳化硅外延片成本佔碳化硅功率半导体器件总成本的最大份额，约为70%（包括衬底及外延片分别佔47%及23%），因此该阶段至关重要，且具有最显著的附加价值。中游分部涉及碳化硅功率半导体器件制造商，其使用外延片作为基础材料，通过一系列複杂的生产工艺制造碳化硅半导体器件，而下游分部则包括将最终产品及系统分销至各种应用领域，如xEV及电力供应。由于转换成本较高，通常碳化硅功率器件制造商不会轻易更换其碳化硅外延片供应商。

中国碳化硅功率半导体器件行业市场规模

中国碳化硅功率半导体器件行业市场规模呈显著上升趋势，2020年至2024年的複合年增长率为56.0%。在汽车技术转变的驱动下，该强劲的增长势头将会持续，预计2024年至2029年的複合年增长率为41.7%。碳化硅功率半导体器件在各种应用（尤其是在汽车领域）中的採用日益增加为该扩张背后的主要驱动力。于2024年，碳化硅功率半导体器件市场在中国整体功率半导体器件市场的渗透率为4.1%。随著碳化硅在中国的应用，预计到2029年渗透率将达至13.8%。

全球功率半导体器件行业的市场规模

在处理能力、微型化及能源效率等技术发展的推动下，以及电子消费品、电动汽车及数据中心等下游行业需求的增加，全球功率半导体器件行业的市场规模在2020年至2024年见证了整体增长。全球功率半导体器件行业市场规模从2020年的452亿美元稳步增长至2024年的合计496亿美元，複合年增长率为2.3%。

自2020年至2024年缓慢增长乃主要由于COVID-19疫情导致智能手机销量大幅下降，以及由于经销商关闭及生产线停工而导致汽车销量大幅下滑。于2024年功率半导体器件分部亦受到半导体产业整体低迷的影响。2024年，在多种因素的共同推动下，半导体行业整体经历显著的衰退：(i)电子消费品市场需求疲弱，尤其是智能手机及个人电脑，导致记忆芯片价格大幅下跌，拖累行业整体收入；及(ii)存货过剩情况严重，尤其是记忆芯片行业。儘管制造商透过减产调整供应，但存货消化仍是一个漫长的过程。

儘管全球功率半导体器件行业市场规模扩大，行业参与者以超过终端客户消费率的速度已扩大产能，导致行业已进入供过于求的过渡阶段。半导体行业本身具有週期性，主要由于供需失衡、存货调整及技术进步所导致，通常遵循需求成长、产能扩充、供过于求、存货修正，以及最终需求复甦的模式。这种週期性本质于2024年展现出来，因为需求增长缓慢及存货挑战带动产业面临衰退，但随著存货水准正常化，以及AI及汽车电子等新产业发力，复甦迹象开始浮现。

因此，受益于汽车需求增加，以及消费者对电子产品及其他商品的消费回升，自2024年至2028年的市场规模预测显示出更有前景的轨迹。预计全球功率半导体器件行业的市场规模将恢复增长，并从2024年的496亿美元进一步增加至2029年的788亿美元，複合年增长率为9.7%。

全球碳化硅功率半导体器件行业的市场规模

在工业自动化採用日益增加以及可再生能源扩张的驱动下，全球碳化硅功率半导体器件行业在2020年至2024年间展现了显著的成长，市场规模从2020年的6亿美元攀升至2024年的32亿美元，複合年增长率为49.8%。2024年至2029年，碳化硅功率半导体器件行业的预计市场规模持续呈现强劲上升趋势，複合年增长率为37.3%。预计到2029年，市场规模估计将达到158亿美元。

全球碳化硅在整体功率半导体器件市场的渗透率亦显著上升，这主要是由于对具成本效益、高效率及高效能电力电子的需求日益增加，尤其是在电动车、可再生能源系统及工业应用方面。碳化硅的优异特性，例如更高的能源效率、热导率，以及在更高电压及温度下运作的能力，从而减少能量损失并缩小电池尺寸，进而降低电池成本，推动其于该等领域的採用及集成。渗透率从2020年的1.4%增加至2024年的6.5%，到2029年预计将飙升至120.1%，显示市场动态已大幅转变，碳化硅材料在全球功率半导体器件行业中变得更加普遍且不可或缺。

按应用计的全球碳化硅功率半导体器件行业市场规模

在高电压环境下有效电源管理需求的驱动下，以及家用电器及数据中心等新兴应用寻求利用碳化硅的优势提高性能及能源效率的同时，碳化硅功率半导体器件被广泛用于多个领域。

将全球功率半导体器件市场按应用细分，各子市场均呈现其各自的成长轨迹：

X电动汽车(xEV)：xEV是普通电动汽车的缩写，其中“x”代表一些额外的缩写，例如混合动力电动汽车(HEV)、插电式混合动力电动汽车(PHEV)及电池电动汽车(BEV)。碳化硅器件的高效率及功率密度对于增强xEV性能至关重要，可应用于功率转换器、主驱动逆变器、车载运输器、电池充电器、双向DC/DC变换器（高压）及马达驱动器等关键元件。自2020年至2024年，xEV领域呈现65.1%的强劲複合年增长率，随后自2024年至2029年，複合年增长率仍高达38.4%。受益于碳化硅功率半导体器件可提供的独特优势，例如较低的传导电阻、较小的芯片尺寸、较高的运行频率，以及承受较高环境温度的能力，碳化硅功率半导体器件在xEV领域的渗透率一直处于上升轨迹，于2024年为9.2%，到2029年预计将达到47.7%。

光伏+储能系统(ESS)：碳化硅用于微型逆变器及DC/DC变换器等光伏系统元件，可提高逆变器的功率密度及效率，减少能源损耗，并将系统重量及体积降至最低，从而支持太阳能的採用。光伏+ESS领域表现出强劲的增长势头，2020年至2024年的複合年增长率为39.0%，而2024年至2029年的複合年增长率为28.4%。由于需要更高效及可靠的储能解决方案，以补足太阳能发电的波动性质，碳化硅功率半导体器件在光伏+ESS领域的渗透率逐步提升，由2024年的9.7%提升至2029年的19.4%。

电力供应：在电力供应领域，碳化硅在工业供应及智能电网中至关重要。由于其具有高导热性及快速切换的特性，其可以提高马达驱动器及精密设备的效率及紧凑度，减少能源损耗。在智能电网中，碳化硅对于推进固态变压器及柔性交直流输电至关重要，其优异的散热及电子特性可提高效率及电网稳定性。自2020年至2024年，电力供应领域按複合年增长率8.0%增长，预计2024年至2029年按複合年增长率24.9%增长。受新基础设施行业的庞大需求所驱动，渗透率从2024年的4.2%呈上升趋势，到2029年预计将达到12.3%。

铁路：碳化硅的高临界场强度、高载子饱和速度及高导热性使牵引变流系统能够实现小型化及轻量化发展，这对于满足铁路车辆运行的绿色节能要求至关重要。铁路领域虽然起点较小，但自2020年至2024年的複合年增长率达12.9%，随后为2024年至2029年的26.8%。从2024年的16.7%开始，由于碳化硅功率半导体器件在耐高温及高频开关能力方面具有优势，到2029年渗透率预计将达到31.8%。

新兴行业：新兴碳化硅市场包含节能家电、先进航太系统（如无人驾驶飞机）及高效能数据中心（如AI数据中心）等应用。碳化硅正以其卓越的效率及性能为该等产业带来革命性的变化。在家电方面，碳化硅可提高电源转换效率，为空调及电磁炉等设备实现紧凑、节能的设计。对于低空飞行，例如无人驾驶飞机及电动垂直起降航空器(eVTOL)，碳化硅的高热稳定性及功率密度可支援轻量、可靠的动力系统，并延长飞行时间。于数据中心，碳化硅在高效率电源供应器中发挥重要作用，可降低能耗及发热量，从而满足对可持续发展及高性能基础设施日益增长的需求。

中国碳化硅功率半导体器件行业的主要趋势

产业链各环节的高度专业化及分工日益明显

器件制造商面临一项战略决策，即採用集成器件制造商模式整合供应链，以更好地控制整个生产流程。相反，将材料外包，尤其是向专业供应商採购外延片，则可利用供应商的专业知识，实现成本效益及质量保证。随著技术的进步，该行业正经历著明显的高度专业化及分工趋势。该演变表明，未来行业参与者将更加专注于各自的专业领域，从而提高整体生产效率，推动整个功率半导体器件行业的创新。

成本降低及技术进步加速下游应用渗透

成本降低及技术改进为推动中国碳化硅功率半导体器件行业发展的主要趋势。随著生产效率的提高及制造工艺的不断完善，碳化硅元件的成本不断降低，使其可更广泛的应用，且更具经济可行性。这种可负担性，连同碳化硅与传统硅相比固有的性能优势（如更高的效率、更好的热管理及优异的电气性能）正在加速其在各个领域的应用。

我们能够利用成本降低的优势，除消化现有存货外，我们亦降低採购成本进行採购，之后，我们的毛利率及财务表现因此得到提高。随著需求增长及各类应用的广泛採用以及市场供求关係趋于稳定，该等成本降幅将逐步收窄，而成本则将趋于稳定。该行业正在见证碳化硅于电动汽车、可再生能源系统及高压电力电子设备中的应用激增，其中碳化硅处理高温及高电压的能力于该等领域尤为有利。

此外，正在进行的研发工作不断提高碳化硅器件的性能及可靠性，进一步扩大其于5G通信、先进计算及智能电网技术等新兴市场的潜力。该等趋势表明，作为功率半导体器件行业的关键材料，碳化硅未来前景广阔，有望为下一代高能效、高性能电子器件提供支持。

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