進(jìn)入到2023年，業(yè)界持續(xù)關(guān)注以SiC(碳化硅)和GaN（氮化鎵）為代表的第三代半導(dǎo)體發(fā)展。不過，這兩類半導(dǎo)體應(yīng)用的表現(xiàn)，仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。72aesmc

截至目前，SiC和GaN的商業(yè)進(jìn)程最新進(jìn)展如何？72aesmc

具體來看，雖然SiC已經(jīng)在汽車上批量應(yīng)用，但是受限于由于良率和性價(jià)比問題，對(duì)大部分汽車而言，SiC器件的成本依舊過高；GaN的商用集中在消費(fèi)電子的快充領(lǐng)域，近幾年也拓展到了數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，只是其上車進(jìn)程卻遲遲未見明顯收效。72aesmc

8英寸SiC正進(jìn)入市場(chǎng)，目前市占率低于2%

根據(jù)TrendForce預(yù)測(cè)，SiC功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的16.09億美元，增長(zhǎng)到2026年的53.28億美金，期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)35%。72aesmc

集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕指出，SiC襯底在過去幾年中，一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，預(yù)測(cè)全球等效6英寸SiC的導(dǎo)電型碳化硅襯底材料生產(chǎn)，將會(huì)從2022年的107萬片成長(zhǎng)到2026年的569萬片。72aesmc

6英寸碳化硅晶圓仍是市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，其市場(chǎng)份額約占80%，到2025年該數(shù)字將提升至90%。另外，8英寸碳化硅晶圓也正在進(jìn)入市場(chǎng)，當(dāng)前其市占率仍低于2%，預(yù)計(jì)到2026年市場(chǎng)份額將增長(zhǎng)到15%。72aesmc

如今，全球有超過15家廠商展示了8英寸碳化硅襯底樣品，其中以Wolfspeed和Vitesco兩家廠商為代表，其他參與8英寸晶圓設(shè)施的廠商，還包括ST、英飛凌、博世、onsemi、羅姆、三菱等國(guó)際廠商，以及天科合達(dá)、天岳先進(jìn)、爍科晶體、同光半導(dǎo)體等中國(guó)廠商。72aesmc

• Wolfspeed在美國(guó)有一座8英寸晶圓廠，該公司還與Tier1采埃孚計(jì)劃在德國(guó)建立一座8英寸晶圓廠。
• ST去年宣布計(jì)劃投資7.3億歐元在意大利建設(shè)8英寸的碳化硅設(shè)施；ST還于2023年6月宣布，與三安光電在重慶將設(shè)立一座8英寸碳化硅晶圓制造廠，三安光電將建造一個(gè)額外的8英寸碳化硅襯底設(shè)施來作為配套。
• 英飛凌在去年投資20億歐元，以擴(kuò)展其馬來西亞居林工廠的寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)能。
• 博世在今年收購(gòu)了芯片生產(chǎn)商TSI半導(dǎo)體公司，后者在美國(guó)加州擁有一座8英寸的專用芯片晶圓廠，博世計(jì)劃未來將投資14億歐元，把加州8英寸晶圓廠改建成碳化硅產(chǎn)線。

從國(guó)際廠商的布局中可以看出，其實(shí)大廠非常關(guān)注8英寸碳化硅的發(fā)展。隨著襯底技術(shù)的不斷突破、產(chǎn)能的提升，8英寸碳化硅晶圓廠的投資也在不斷增加，相信未來8英寸SiC晶圓的市場(chǎng)滲透動(dòng)作將更快。72aesmc

SiC加速“上車”，車廠忙著搶產(chǎn)能

一方面是SiC器件廠商搶占襯底廠的產(chǎn)能，另一方面是汽車廠商搶占SiC器件。以汽車廠為例，由于車廠正尋求多元化的供應(yīng)鏈體系，以此來避免汽車供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。比如，特斯拉的碳化硅器件供應(yīng)商有ST和安森美；比亞迪的碳化硅供應(yīng)商有ST和博世等。除此之外，其他汽車產(chǎn)業(yè)鏈參與者，也在通過投資或者合資的方式，參與到碳化硅供應(yīng)鏈的建設(shè)中。72aesmc

今年被業(yè)界關(guān)注的事件有：1月，采埃孚與Wolfspeed共同投資30億美元在德國(guó)建造一座碳化硅晶圓廠和研發(fā)中心；5月底，緯湃科技(Vitesco Technologies)向onsemi投資2.5億美金，以購(gòu)買全新碳化硅設(shè)備支持后者碳化硅產(chǎn)品的發(fā)展；6月7日，三安光電與意法半導(dǎo)體聯(lián)合宣布雙方已簽署協(xié)議，擬在中國(guó)重慶共同建立8英寸碳化硅器件合資制造工廠；7月5日，瑞薩電子與Wolfspeed宣布達(dá)成一項(xiàng)晶圓供應(yīng)協(xié)議，前者向后者支付了20億美元保證金，后者承諾向前者供應(yīng)為期十年的碳化硅裸片和外延片。以上種種跡象表明，汽車產(chǎn)業(yè)鏈玩家看好碳化硅的發(fā)展前景。72aesmc

應(yīng)用方面，SiC在800V汽車市場(chǎng)有突出的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)的應(yīng)用能更好地解決充電焦慮問題。自2021年開始，許多汽車制造商開始采用SiC MOSFET的技術(shù)，包括2023年小鵬的G6、奧迪Q6 E-Tron，以及比亞迪仰望U8等，這些800V車型均搭載了SiC MOSFET。72aesmc

2022年，800V汽車系統(tǒng)在B級(jí)汽車市場(chǎng)的滲透率大約為3%，該滲透率主要由現(xiàn)代loniq5、起亞EV6等車型貢獻(xiàn)。預(yù)計(jì)到2026年，這一數(shù)值將會(huì)提升到15%左右。同時(shí)，800V汽車系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，也會(huì)推動(dòng)SiC市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。72aesmc

SiC在充電功率市場(chǎng)也有較好的發(fā)展。對(duì)此，龔瑞驕指出，隨著越來越多汽車廠商開始將碳化硅技術(shù)引入到汽車的電驅(qū)系統(tǒng)中，預(yù)計(jì)車用SiC功率元件市場(chǎng)將會(huì)從2022年的10.9億美金成長(zhǎng)到2026年的39.8億美金，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到38%。72aesmc

再看中國(guó)車用SiC市場(chǎng)：上汽、北汽、廣汽等車廠都在重金投資本土碳化硅供應(yīng)鏈，被投資企業(yè)包括瞻芯電子、清純半導(dǎo)體、泰科天潤(rùn)等廠商，而這些SiC企業(yè)的產(chǎn)品，或?qū)崿F(xiàn)了在汽車OBC、DC-DC上的搭載，或已經(jīng)處于市場(chǎng)驗(yàn)證階段。72aesmc

與此同時(shí)，一些傳統(tǒng)的工業(yè)半導(dǎo)體廠商也在碳化硅市場(chǎng)發(fā)力，包括中車、比亞迪、士蘭微、斯達(dá)半導(dǎo)體等。比如，去年4月，中車時(shí)代宣布擬投資約4.62億元人民幣，將現(xiàn)有4英寸SiC芯片線年10,000片/年的能力提升到6英寸SiC芯片線25,000片/年；早在幾年前比亞迪方面就曾表示，預(yù)計(jì)到2023年，將在旗下的電動(dòng)車中，實(shí)現(xiàn)SiC基車用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基IGBT的全面替代；士蘭微目前已具備月產(chǎn)2,000片6英寸SiC芯片的生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)到今年年底SiC芯片生產(chǎn)能力將提升至6,000片/月；斯達(dá)半導(dǎo)在推進(jìn)碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)充計(jì)劃，募投項(xiàng)目規(guī)劃6萬片/年的6英寸碳化硅芯片產(chǎn)能。72aesmc

GaN消費(fèi)類快充應(yīng)用突出，但“上車”長(zhǎng)路漫漫

GaN因具備寬禁帶、高頻率、低損耗、抗輻射強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可滿足了各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)高效率、低能耗、高性價(jià)比的要求。理論上，GaN適用于開關(guān)電源、電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電、UPS、數(shù)據(jù)中心、無線充電、芯片處理器等應(yīng)用場(chǎng)景。GaN商業(yè)化得最好的應(yīng)用是消費(fèi)電子快充，其在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用逐漸開始起來，但在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用還需進(jìn)一步發(fā)展。72aesmc

如果關(guān)注上游的器件部分，GaN功率芯片賽道的玩家包括納微半導(dǎo)體、Power Integration(PI)、英諾賽科等，依托在消費(fèi)類快充的應(yīng)用，GaN芯片出貨量已經(jīng)到達(dá)數(shù)億顆。比如，截至2023年Q2季度末，英諾賽科GaN芯片出貨量已超1.7億顆，納微半導(dǎo)體的高壓GaN芯片出貨量超7,500萬顆。72aesmc

GaN在消費(fèi)類快充應(yīng)用的迅速走紅，也使得其在其他領(lǐng)域的商用進(jìn)程廣受關(guān)注。近年來，許多GaN器件廠商將目光轉(zhuǎn)向了工業(yè)市場(chǎng)，而數(shù)據(jù)中心是GaN在工業(yè)市場(chǎng)關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)景。實(shí)際上，數(shù)據(jù)中心的耗電量巨大，使用GaN功率元件可減少數(shù)據(jù)中心的耗電量，并且提高服務(wù)器的運(yùn)行效率、降低運(yùn)營(yíng)成本。72aesmc

不過，GaN“上車”卻遲遲未見明顯的收效。雖然現(xiàn)在大家談?wù)摰谌雽?dǎo)體時(shí)，經(jīng)常會(huì)同時(shí)討論GaN和SiC，但是若說在到汽車市場(chǎng)的應(yīng)用情況時(shí)，大部分人只會(huì)把目光聚焦在SiC上。其實(shí)，汽車也是GaN的潛力市場(chǎng)之一，許多OEM和Tier1也看好GaN在汽車市場(chǎng)的發(fā)展。具體而言，GaN可應(yīng)用于汽車的OBC、DC-DC、BMS等部件中。72aesmc

在眾多下游市場(chǎng)應(yīng)用的帶動(dòng)下，GaN的市場(chǎng)規(guī)模也正在起量。根據(jù)TrendForce預(yù)測(cè)，GaN功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的1.8億美金，增長(zhǎng)到2026年的13.3億美金，期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)65%。72aesmc

回到老生常談的話題——當(dāng)前限制GaN商用的因素究竟有哪些？72aesmc

華燦光電氮化鎵電力電子研發(fā)總監(jiān)邱紹諺指出，GaN目前也處于發(fā)展的萌芽期，仍面臨同質(zhì)襯底生長(zhǎng)、可靠性不佳等技術(shù)問題，限制了生產(chǎn)良率和商用化發(fā)展。其中，GaN器件特性由外延結(jié)構(gòu)決定，器件的可靠性則與材料質(zhì)量緊密相關(guān)。目前，GaN襯底仍在開發(fā)中，市場(chǎng)上尚未有成熟的GaN襯底，只能使用硅和藍(lán)寶石等異質(zhì)接面襯底，而這些導(dǎo)致了GaN器件特性不佳。72aesmc

即使在商用過程中面臨著一些難題，也無法阻礙整個(gè)市場(chǎng)的向前發(fā)展。到目前為止，消費(fèi)類領(lǐng)域的GaN快充的各項(xiàng)參數(shù)也越來越大。隨著用戶用電需求的增加，GaN快充的輸出功率也在不斷提高，比如今年小米推出的300W GaN快充的功率密度高達(dá)2.31W/cm³。72aesmc

再關(guān)注GaN在快充中的價(jià)值量分布。GaN在功率市場(chǎng)最主要的價(jià)值量體現(xiàn)在15W-65W的市場(chǎng)。但隨著大功率快充的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了“GaN LLC+PFC方案”，該方案解決了傳統(tǒng)電源方案的外圍電阻復(fù)雜、成本高的難題，未來GaN有望持續(xù)在這一領(lǐng)域大規(guī)模滲透。72aesmc

筆者在前文中也提到，GaN在汽車中的應(yīng)用主要涉及到OBC、DC-DC等，為了讓電動(dòng)汽車更加節(jié)能，其實(shí)也有少數(shù)廠商在致力于開發(fā)汽車逆變器GaN功率元件。比如，Cambridge GaN Devices(CGD)在2022年12月宣布，公司與與IFP Energies nouvelles(IFPEN)簽署了汽車逆變器開發(fā)協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，IFPEN將在一款新的汽車逆變器設(shè)計(jì)中采用CGD的 ICeGaN™ GaN HEMT(氮化鎵高電子遷移率晶體管)。72aesmc

但GaN在汽車市場(chǎng)仍處于早期驗(yàn)證階段，業(yè)內(nèi)分析師認(rèn)為，估計(jì)到2025年左右，GaN才會(huì)小批量滲透到低功率的OBC和DC-DC中。大概在2030年，OEM才可能會(huì)考慮將GaN引入到汽車逆變器中。因此，雖然GaN玩家在汽車市場(chǎng)的前景廣闊，但需要產(chǎn)業(yè)界共同努力來推進(jìn)它的每一個(gè)應(yīng)用。72aesmc

半導(dǎo)體大廠雙布局：SiC和GaN兩手抓

去年，筆者在《寬禁帶功率半導(dǎo)體的競(jìng)爭(zhēng)格局及趨勢(shì)分析》和《第三代半導(dǎo)體加速爆發(fā)，SiC、GaN產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度如何？》兩篇文章中，對(duì)SiC和GaN產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)商、融資進(jìn)度，以及競(jìng)爭(zhēng)格局均作過詳細(xì)介紹，文本就不對(duì)這些內(nèi)容再做贅述。72aesmc

值得注意的是，在發(fā)力SiC和GaN的玩家中，有一個(gè)特點(diǎn)已經(jīng)越來越突出，即部分有實(shí)力的大廠在同時(shí)布局SiC和GaN。72aesmc

最近的消息是，今年3月，英飛凌宣布將以8.3億美元收購(gòu)GaN Systems公司，后者是開發(fā)基于GaN的功率轉(zhuǎn)換解決方案的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。72aesmc

GaN Systems在汽車市場(chǎng)擁有包括寶馬、緯湃科技等客戶，在消費(fèi)快充市場(chǎng)擁有包括三星在內(nèi)的客戶。英飛凌方面表示，在完成對(duì)GaN Systems的收購(gòu)后，英飛凌將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展自己的GaN功率器件生產(chǎn)線，并進(jìn)一步擴(kuò)展市場(chǎng)份額。從2022年的市場(chǎng)份額來看，GaN Systems約占12%的份額，位列全球第五。預(yù)計(jì)英飛凌與GaN Systems合體后的市場(chǎng)份額大約為15%。72aesmc

另一個(gè)例子是，納微半導(dǎo)體在2022年8月宣布收購(gòu)GeneSiC Semiconductor，將原本的GaNFast氮化鎵功率芯片產(chǎn)品線擴(kuò)展，新增GeneSiC碳化硅產(chǎn)品線。納微半導(dǎo)體在汽車方面的布局主要在車載充電樁方面。據(jù)資料顯示：納微旗下的碳化硅技術(shù)已為十幾家充電樁服務(wù)商客戶采用，納微半導(dǎo)體基于SiC技術(shù)的車載充電器已經(jīng)進(jìn)入車企供應(yīng)鏈，比如中國(guó)的比亞迪和吉利也都采用了GeneSiC的方案，今年年初，納微半導(dǎo)體還與吉利集團(tuán)旗下威睿汽車開設(shè)聯(lián)合電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中心。72aesmc

在SiC與GaN的共同驅(qū)動(dòng)下，納微半導(dǎo)體的營(yíng)收也不斷攀升。2023年Q1，納微半導(dǎo)體的凈銷售額增至1,340萬美元，較2022年Q1同比接近翻番，較2022年Q4增長(zhǎng)8%。且毛利率達(dá)到了41.1%。72aesmc

小結(jié)

筆者關(guān)注到，無論是SiC還是GaN，都還面臨著良率和成本問題，而硅器件在汽車市場(chǎng)上仍有較大的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈參與者的積極推動(dòng)下，SiC和GaN的成本正慢慢降低，其在汽車市場(chǎng)的需求將會(huì)進(jìn)一步加大，所以從整體上看，未來這兩類技術(shù)都將有更好的發(fā)展。72aesmc