随着新能源汽车渗透率突破50%、AI算力中心以每年超过30%的增速扩张，功率器件的重要性与日俱增，并逐渐从幕后走向台前。在这一背景下，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体，以及氧化镓、金刚石等第四代超宽禁带半导体，正加速从实验室走向产业化，成为各国争夺的技术制高点。
中国在这条产业链上有一些突破，但也看到各环节发展差异：上游材料产能过剩，但核心装备与工业软件却严重依赖进口。应用场景全球最丰富，但中游高端器件却普遍偏低。在近日举办的创芯大赛上，半导体产业纵横采访了国家第三代半导体技术创新中心（深圳）主任、深圳平湖实验室主任万玉喜。围绕相关产业链如何“补短板”和“拉长板”，万主任给出了他的判断与思考。
01
从硅基到“终极半导体”
功率半导体是电力电子技术的心脏，负责电能的转换、控制与调度，广泛应用于新能源汽车、工业控制、光伏储能、消费电子及数据中心电源等领域。
从材料发展看，传统功率半导体以硅基（第一代）为主，但硅材料在禁带宽度、击穿电场、热导率等物理极限上存在天花板，近几年，功率半导体正经历一场深刻的材料升级，也就是大家在谈的第三代、第四代半导体。第三代半导体，即宽禁带半导体，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表，禁带宽度显著大于硅，能在更高电压、更高频率和更高温度下工作，成为了功率电子器件的性能倍增器。第四代半导体，即超宽禁带半导体，则包括氧化镓（Ga₂O₃）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等，禁带宽度更大，面向更极端、更高效、更紧凑的下一代电力电子应用。以金刚石为例，其禁带宽度约5.5 eV，电子迁移率约4500 cm²V⁻¹s⁻¹，击穿场强超过10 MV/cm，热导率约2000 Wm⁻¹K⁻¹，被业界誉为“终极半导体”。正是这两代新材料，共同撑起了当今最炙手可热的产业变革。万玉喜用一句话点出了功率半导体在当今格局中的地位：“半导体解决了三个力：新能源汽车的动力、AI的算力，以及支撑它们的基础——电力。而电力就需要功率半导体来解决，平湖实验室研究的就是这个方向。”
从产业应用看，主要集中在新能源汽车领域、AI数据中心。中国拥有全球最丰富的应用场景：新能源汽车产销量连续多年全球第一，AI算力中心建设如火如荼，智能电网、光伏储能、轨道交通需求庞大。这种庞大的下游市场，提供了天然的试验场和迭代空间。在新能源汽车领域，碳化硅器件的高耐压、低损耗特性直接推动了电驱系统效率的跃升，促成了国内碳化硅产业的快速爆发。在AI算力中心，氮化镓器件凭借高频高效的特性，正在重塑服务器电源架构。在采访中，万玉喜算了一笔账：“从发电、高压输电到配电及终端用电，配电侧涉及固态变压器等关键环节，而用电侧正是氮化镓器件的核心应用场景。在一次侧（220V以上）、二次侧（220V降至48V）和三次侧（48V降至芯片级低压）。针对这三段，目前存在两种氮化镓替代路径：若仅在低压段（三次侧）引入氮化镓，整体能效约提升5%；若从高压段（1200V左右）开始向下全面替代，则整体效率可提升约10%。他进一步解释前面，到2035年全球AI用电量将达到三峡工程年发电量的15倍。按此规模计算，仅中国通过氮化镓技术节约的电量就相当于0.5个三峡电站；若放眼全球，则相当于3个三峡电站的年发电量。”
从政策支持看，这一趋势也已被纳入国家顶层设计。“十五五”规划明确提出，要加快宽禁带半导体产业提质升级，推动氧化镓、金刚石等超宽禁带半导体产业化发展。科技部更是于2021年批复建设国家级科技创新平台——国家第三代半导体技术创新中心，以第三代半导体关键核心技术研发为核心使命，聚焦半导体装备、材料、电力电子、射频电子、光电子等领域。
从市场到政策，第三代乃至第四代半导体的重要性毋庸置疑，已经从前沿探索升级为产业刚需，并随着AI的发展，会进一步加速产业规模化落地进程。
02
功率半导体的产业化进程
功率半导体（第三代、第四代半导体）产业链，大致可划分为四大环节：最上游是材料端，包括衬底（如SiC晶锭、GaN衬底、金刚石单晶、氧化镓单晶）和外延片（在衬底上生长高质量晶体薄膜）；中游是制造端，涵盖芯片设计、器件加工（光刻、刻蚀、离子注入、外延生长等）、封装测试，这一环节高度依赖工艺装备（如电子束光刻机、高温离子注入机、MOCVD等）和仿真软件（器件建模、EDA工具）；下游是应用端，包括新能源汽车电驱与充电桩、AI服务器电源、智能电网、轨道交通、5G基站、光伏储能等；支撑层则贯穿全程，主要包括关键装备、材料、仿真软件，甚至包括零部件、材料验证服务、分析检测平台等。
基于当下的国际环境，关注半导体就需要关注全产业链的进程。如果放在全球坐标系中审视，我国目前在第三代、第四代半导体进展如何呢？万玉喜指出：从材料到器件到装备，以及做器件的软件支撑，这几个方面来看，整体是不太均衡的。有的过剩，有的不够，产业链结构性失衡。以碳化硅为例，中国的衬底材料产能已占全球约50%，可以说是过剩的；但高端器件的自给率不到15%。特别是中间那段附加值最高的芯片加工与器件制造，大量仍掌握在国外手中——高质量外延材料稍弱，装备国产化尚未完全解决，仿真软件虽有基础但高端仍需加强，应用端在中国是最丰富的，但往上走，越靠近核心越薄弱。
其一，不同材料体系的产业化现状不同。碳化硅和氮化镓作为第三代半导体的代表，已步入产业化快车道：碳化硅向智能电网的高压方向延伸，氮化镓则在AI数据中心的高频高效应用中快速推进，两者技术成熟度（TRL）已接近7至8、9级。而氧化镓、金刚石等第四代半导体，虽然研究进展迅速，比如平湖实验室近期在氧化镓光导开关、氮化铝功率器件等领域接连刷新全球纪录，但距离大规模应用仍有距离。万玉喜表示，“未来3到5年会有一些早期应用，但尺寸还比较小，主要面向特殊行业。氧化镓和金刚石未来5年内TRL很难达到5级，因为科学问题还没解决完，比如氧化镓的p型掺杂、金刚石的n型掺杂，半导体器件需要形成有效的PN结才能应用。”
其二，装备与工具的不够。在制造装备方面，国内功率半导体产线大量沿用集成电路领域退下来的二手设备，基础加工尚可满足，但面对下一代器件更精细化、更高效的器件需求，还需要在装备上进一步提升。在仿真软件方面，过去的工具基本都是基于硅基体系开发，而宽禁带半导体作为新材料体系，其器件物理模型、材料参数库都需要重新构建。万玉喜进一步指出，“仿真软件方面，全球都属于起步状态，对我们也是一个很好的机会。”
其三，领域重视投入不足。万玉喜表示，“国内有个误解，总觉得功率半导体的线宽比较大，已经够了，其实不是这么回事。”正是因为对“功率半导体技术要求低”的误解，导致第三代/第四代半导体长期重视不足。2020年底教育部虽然设立集成电路科学与工程一级学科，但多年来资源主要投向传统硅基集成电路，实际上功率半导体虽然体量小但非常重要。
03
深圳平湖实验室：补短板，做长板
面对产业链发展的不均衡，平湖实验室选择了一条差异化的路径。万玉喜强调，“大家都做的，我们不做。平湖只做两件事：补短板，做长板。”
补短板直指产业最薄弱的环节。在超宽禁带领域，氧化镓的p型掺杂、金刚石的n型掺杂、氮化铝的PN结构建等基础问题，是全球尚未突破的共性科学难题，距离工程化验证和产业化仍有较长距离。平湖实验室便在这些方向加大布局，抢占下一代半导体的理论制高点；在产业链环节，国内高校和科研机构擅长“从0到1”的基础创新，工厂擅长“从5到10”的量产制造，但中间的“1到5”，即中试验证阶段恰恰是“死亡谷”。中试阶段投入大、风险高、回报周期长，单一企业尤其是中小企业难以独立承担。平湖实验室作为国家平台，采取开放共享模式，本质上是在提供产业公共基础设施。这不仅降低了企业的创新门槛，更重要的是形成了标准输出能力。当足够多的企业在平台上验证工艺，平台积累的数据、参数、Know-how会反向成为行业事实标准。万玉喜补充，“我们花了三四年建成了8英寸化合物功率半导体中试平台，当时国内材料还没有，很多人质疑是不是太超前了。现在看，正好填补了这段空白。”如今，平湖实验室的化合物功率半导体中试平台已成为工信部重点培育中试平台、广东省中试平台，具备从器件结构设计、工艺开发到产品测试的全流程中试能力，服务对象覆盖新能源汽车、轨道交通、智能电网、5G通信等领域。
做长板则体现在对已有优势的极致延伸。在宽禁带领域，碳化硅方向主攻超高压、特高压，氮化镓方向主攻超高频、超高效能。万玉喜介绍到，“我们前一阵发布了高压IGBT器件，从发电、高压输电到后面的固态变压器，再到终端的氮化镓用电方案，我们要把功率半导体的长板做得更长。”
值得注意的是：在硅基半导体领域，中国与西方存在代际差距；但在第三代、第四代半导体领域，由于材料体系、器件结构、工艺路线不同，全球几乎站在同一起跑线。碳化硅和氮化镓方面，国际巨头（Wolfspeed、Infineon、ROHM）虽有先发优势，但产能扩张缓慢。而在氧化镓、金刚石、氮化铝等超宽禁带领域，没有绝对的领先者，中国若能在基础科学问题（如p型掺杂、PN结）上率先突破，完全可能实现从“跟跑”到“领跑”的跨越，这是一个难得的战略窗口期。
这种“补板”策略也暗合了中国半导体产业的发展规律。国内产业往往遵循一条逆行的升级路径：先从应用入手，再不断向上游延伸。从国外引进技术做封装，再做芯片制造，然后发现软件不行去补软件，最后再回头大力投入材料。平湖实验室的定位也体现了这种“填空”智慧。作为深圳市科技创新局领导下的事业单位，它不做材料的大规模生产，而是聚焦外延攻关、器件研发、装备国产化验证和技术转移转化，覆盖TRL 3到7的全链条。坐落于改革开放的前沿城市，坐落于电子产业最活跃的深圳，在前沿探索实践。
从碳化硅到金刚石，从新能源汽车到AI算力中心，中国功率半导体产业正在经历一场从有没有到强不强的产业升级。而在这场产业升级中，像深圳平湖实验室这样的平台，以及万玉喜所倡导的“补短板、做长板”的具体实践，或许正是穿越中试死亡谷、抵达下一代半导体产业高地的那座桥。蓬勃发展的中国半导体，我们看到更多创新的力量！看到更多充满信心的奋斗者！