SiC、GaN在功率半導(dǎo)體中扮演不同角色

寬禁帶半導(dǎo)體在國內(nèi)也被稱為“第三代半導(dǎo)體”，目前以SiC、GaN材料半導(dǎo)體器件為代表，適用于光電子、功率電子、射頻電子三大領(lǐng)域。我們主要針對SiC、GaN在功率電子的應(yīng)用來展開，對光電子、射頻電子應(yīng)用只做簡單提及。XC4esmc

基于GaN基LED的半導(dǎo)體照明具有顯著的節(jié)能效益，在我國寬禁帶半導(dǎo)體最早應(yīng)用在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，國產(chǎn)化替代率接近40%。早在十幾年前，國內(nèi)光電廠就開始嘗試把GaN材料應(yīng)用于LED領(lǐng)域，華燦光電從2005年開始深耕GaN材料領(lǐng)域，針對藍(lán)光、綠光等照明、顯示應(yīng)用。XC4esmc

GaN在射頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用從軍用雷達(dá)開始，軍用雷達(dá)的探測距離與功率密度成正比，氮化鎵比砷化鎵的功率密度高一個數(shù)量級，前者在相控陣?yán)走_(dá)中具備無法替代的優(yōu)勢。在過去的20多年里，寬禁帶半導(dǎo)體在射頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用更多的是靠政府在投入和推動。XC4esmc

SiC、GaN材料工藝的進一步突破，促成了寬禁帶功率半導(dǎo)體時代的到來。當(dāng)前，SiC在新能源汽車、軌道交通應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。在PCIM Europe 2020期間，GaN Systems的CEO Jim Witham介紹了一款A(yù)ll-GaN（全氮化鎵）汽車，該車型由名古屋大學(xué)研發(fā)團隊基于GaN Systems技術(shù)開發(fā)，采用了可再生的太陽能蓄電池做動力，證明了GaN在汽車功率轉(zhuǎn)換方面的可行性。全氮化鎵電動汽車概念的提出，體現(xiàn)出SiC與GaN能在新能源汽車領(lǐng)域扮演著不同角色。XC4esmc

再把聚焦的點放廣，觀察功率半導(dǎo)體的特點：首先，它并不緊跟摩爾定律，而是采用成熟的制程工藝。由于功率半導(dǎo)體的生命周期較長，英飛凌在十余年前推出第四代IGBT產(chǎn)品，時至今日該產(chǎn)品的熱度依舊很高；其次，其產(chǎn)業(yè)高度定制化，設(shè)計與制造高度協(xié)同，包括英飛凌、安森美、ST、TI、Wolfspeed（2021年10月，Cree正式更名為Wolfspeed）、羅姆等主流功率半導(dǎo)體廠商均采用IDM模式，這種模式可在制造環(huán)節(jié)為廠商極大提升附加值。XC4esmc

對此，集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕表示，SiC、GaN將通過突破Si(硅)的性能極限來開拓功率半導(dǎo)體新市場，也會在部分與Si交叉重合的領(lǐng)域，達(dá)到更高的性能、更低的系統(tǒng)性成本。“功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動力是‘能源轉(zhuǎn)換革命’，以此來滿足用電需求及低碳環(huán)保需求。SiC、GaN在能源系統(tǒng)中至關(guān)重要，是企業(yè)實現(xiàn)‘碳中和’的重要方式。”XC4esmc

值得一提的是，即將舉辦的IIC 2022 國際集成電路展覽會暨研討會 將聚焦國際 “碳中和” 產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿科技，大會將于4月20-21日在上海舉行“2022 國際“碳中和”電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇”歡迎 免費報名 參加。XC4esmc

SiC更適合高功率應(yīng)用，包括特高壓電網(wǎng)、風(fēng)電、光伏、儲能以及新能源汽車。這些應(yīng)用對電池電壓系統(tǒng)要求嚴(yán)苛，SiC器件的應(yīng)用能帶來較大的優(yōu)勢。GaN更適合高頻率應(yīng)用，消費電子領(lǐng)域的快充是熱門產(chǎn)品，未來也能在數(shù)據(jù)中心及汽車領(lǐng)域大放異彩。XC4esmc

在應(yīng)用上，SiC由汽車電動化浪潮推動。特斯拉在汽車上首次批量應(yīng)用車用SiC功率器件加速推動了SiC的商用步伐。與此同時，全球SiC功率器件市場規(guī)模將從2020年的6.8億美元，增長至2025年的33.9億美元，CAGR(年復(fù)合增長率)達(dá)38%。其中，車載逆變器、OBC、DC-DC是主要驅(qū)動力，到2025年這些部件或占62%的市場份額。當(dāng)然，除了備受關(guān)注的汽車應(yīng)用之外，SiC還適用于充電樁和光伏儲能領(lǐng)域。XC4esmc

GaN在消費電子市場正快速起量，預(yù)估2021年全球GaN市場銷售額為8,300萬美元，CAGR為73%。在產(chǎn)品應(yīng)用方面，安卓系的OPPO、小米、vivo等廠商已推出好幾代GaN快充產(chǎn)品，蘋果也在2021年Q4推出功率達(dá)140W的GaN快充產(chǎn)品。XC4esmc

不過，GaN在工業(yè)和汽車領(lǐng)域仍待進一步落地。據(jù)分析機構(gòu)的判斷，GaN需要從消費電子應(yīng)用出發(fā)，來反復(fù)驗證GaN功率器件的可靠性，還要在此基礎(chǔ)上建立產(chǎn)能、完善生態(tài)格局，以便廠商后續(xù)能把它推向工業(yè)/汽車領(lǐng)域。預(yù)計到2025年，GaN的市場規(guī)模將達(dá)13.2億美元，屆時會在新能源汽車、電信及數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域有較好應(yīng)用。XC4esmc

資本青睞SiC/GaN，目前市場融資熱度高

近年來，國內(nèi)SiC、GaN項目落地和企業(yè)融資熱度都很高。據(jù)集邦咨詢統(tǒng)計，2020年全國寬禁帶半導(dǎo)體投資規(guī)模達(dá)709億人民幣，該數(shù)字是2019年的2.67倍。XC4esmc

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表1 中國SiC廠商融資信息(部分)XC4esmc

《國際電子商情》統(tǒng)計了部分國內(nèi)SiC企業(yè)的融資情況（表1）?？梢钥闯?，自2015年之后，多家國產(chǎn)SiC廠商獲得了投資機構(gòu)的支持，尤其是在2020-2021年期間，許多企業(yè)的融資進度顯著增加。值得關(guān)注的是，過去一年中有獲得投資的同光晶體、天域半導(dǎo)體、世紀(jì)金光、南砂晶圓均為SiC襯底廠。又因多筆融資未公布具體金額，我們無法做更詳細(xì)的對比，但可以看出2021年投資方的數(shù)量也有增多，這代表資本看好國內(nèi)SiC市場的發(fā)展。XC4esmc

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表2 GaN廠商融資信息(部分)XC4esmc

在SiC實現(xiàn)商用后不久，GaN也迅速成為資本關(guān)注的焦點?！秶H電子商情》在表2中，羅列了國內(nèi)外GaN企業(yè)近十年來的融資情況，包括GaN Systems、Transphorm、VisIC、氮矽科技、鎵未來、芯元基等公司的融資動態(tài)。XC4esmc

GaN Systems早在2011年就獲得A輪融資，截至2021年12月31日，總計獲得6輪融資。最新一輪發(fā)生在2021年11月18日，是一筆1.5億美元的戰(zhàn)略融資，BMW i Ventures是投資方之一，它是寶馬集團旗下的風(fēng)投公司。在2017年，該機構(gòu)就對GaN Systems做了戰(zhàn)略投資，時隔四年之后的再次投資，釋放出寶馬集團對GaN材料的支持態(tài)度。國內(nèi)較早獲得融資的GaN企業(yè)是能華微，2014年5月獲得了一筆天使輪融資，具體金額未公布。XC4esmc

同樣地，2021年資本加快了對GaN企業(yè)的投資，表2中9家企業(yè)在過去一年里均有成功融資，特別是鎵未來和VisIC分別獲得了兩輪融資。XC4esmc

無論是SiC還是GaN，它們在資本市場的熱度已經(jīng)高漲。但需注意的是，這些產(chǎn)業(yè)仍處在初級階段，相對Si而言整體規(guī)模較小。近年來眾多企業(yè)、資本紛紛涌入，警醒業(yè)者需要關(guān)注實際的市場需求。另外，與成熟商用的Si相比，SiC/GaN的成本尚無優(yōu)勢，各產(chǎn)業(yè)鏈參與者也需正視，至少在短期內(nèi)，SiC/GaN功率器件的價格不會太低。XC4esmc

SiC/GaN功率半導(dǎo)體的競爭格局

據(jù)集邦咨詢預(yù)測，到2025年,全球功率分立器件及模塊市場規(guī)模將達(dá)274億美金。SiC功率器件市場份額將達(dá)12%，GaN功率器件市場份額達(dá)5%。在此背景下，更多參與者涌入SiC/GaN市場，這些產(chǎn)業(yè)的格局具備如何？XC4esmc

·SiC產(chǎn)業(yè)鏈分析

SiC大致有襯底、外延、器件、應(yīng)用四個環(huán)節(jié)。SiC在半導(dǎo)體中主要以襯底材料出現(xiàn)，襯底是SiC產(chǎn)業(yè)的核心環(huán)節(jié)。SiC長晶難度大、技術(shù)壁壘高，主流襯底廠更傾向于結(jié)合自己對工藝的理解來制造設(shè)備，這使得穩(wěn)定量產(chǎn)SiC襯底較為困難。SiC襯底再經(jīng)過外延生長、器件制造等環(huán)節(jié)制成SiC器件。SiC的晶圓尺寸與對應(yīng)晶圓的生長、加工技術(shù)難度成正比。XC4esmc

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表3 SiC供應(yīng)商信息(部分)XC4esmc

從競爭格局來看，國際廠商在SiC襯底上占優(yōu)勢，全球約有7至8成的SiC產(chǎn)量來自美企，其次歐日企業(yè)也在SiC市場占有領(lǐng)先地位。因襯底常用Lely法(熱升華，無籽晶)制造，國際主流采用6英寸晶圓，目前正向8英寸晶圓過渡，例如，Wolfspeed、II-VI等正在建設(shè)8英寸SiC晶圓產(chǎn)線?，F(xiàn)在，國內(nèi)在單晶襯底方面以4英寸為主，主要用于10A以下小電流產(chǎn)品，部分企業(yè)已完成6英寸襯底的研發(fā)，其中三安集成(三安光電旗下)、天科合達(dá)和山東天岳的發(fā)展較快。XC4esmc

一個新興行業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷前期鋪墊后，整個市場會呈現(xiàn)出較為明顯的趨勢。當(dāng)前，SiC產(chǎn)業(yè)正加速垂直整合，許多功率器件大廠向上游延伸，這涉及到了材料領(lǐng)域，特別是對SiC襯底的爭奪。龔瑞驕表示，SiC襯底具備高產(chǎn)品附加值，且制程復(fù)雜、晶體生長緩慢，是制約SiC晶圓產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。該環(huán)節(jié)的重要性也表現(xiàn)在成本上，以6英寸SiC晶圓成本結(jié)構(gòu)為例，襯底約占46%的成本，芯片只占22%的成本。XC4esmc

近年來，國際功率器件大廠并購上游材料廠的案例較多——羅姆收購單晶SiC襯底廠SiCrystal、ST收購SiC晶圓制造廠Norstel，安森美收購SiC襯底廠GTAT,Ⅱ-Ⅵ收購SiC外延片/器件制造廠Ascatron以及離子注入服務(wù)提供商Innovion，英飛凌收購晶圓冷切割技術(shù)公司Siltectra。而國內(nèi)的三安光電充分整合內(nèi)部資源，在湖南長沙啟動了中國首條SiC產(chǎn)線。XC4esmc

除了并購之外，功率器件大廠也在提前鎖定襯底產(chǎn)能。例如英飛凌在2020年與GTAT達(dá)成了為期5年的合作；ST擴大與Cree（2021年10月更名為Wolfspeed）的長期SiC晶圓供應(yīng)協(xié)議,后者將數(shù)年內(nèi)持續(xù)供應(yīng)150mm SiC裸晶圓和外延片，協(xié)議總金額將擴大至超過8億美元；安森美在2021年下半年完成對GTAT的收購，原因也是希望能鎖定SiC襯底，保證后續(xù)SiC器件的出貨。為推動中國SiC襯底的發(fā)展，大陸資本也在積極投資SiC襯底廠商，其中天科合達(dá)、山東天岳、同光晶體、爍科晶體的進展不錯。XC4esmc

SiC功率器件能顯著提升新能源汽車的性能，包括提升續(xù)航能力、充電速率、汽車輕量化能力，這促使SiC在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用比例最高可達(dá)33%。龔瑞驕稱，SiC帶來的電車節(jié)約成本和SiC生產(chǎn)成本之間的對抗，是影響SiC“上車”的關(guān)鍵因素。由于SiC器件價格較昂貴，在新能源汽車的滲透率現(xiàn)僅為2%。當(dāng)下游器件的制造效率越高，其單位所消耗的成本就越低，SiC器件制造商還需提升效率。XC4esmc

SiC在OBC、DC-DC取得了不錯進展，但其在主驅(qū)逆變器中的“上車”還太成熟。頭部SiC供應(yīng)廠商正與Tier1合作，其800V高壓平臺將成功應(yīng)用在整車廠?，F(xiàn)代的兩款車型是首批采用800V SiC平臺的車型，小鵬汽車去年推出的G9也采用了800V SiC。隨著電動汽車的整車架構(gòu)朝800V方向邁進，預(yù)計到2025年，全球?qū)?英寸SiC晶圓的需求量將達(dá)169萬片，其中絕大部分應(yīng)用會體現(xiàn)在汽車主逆變器上。XC4esmc

·GaN產(chǎn)業(yè)鏈分析

伴隨集成度的提升，GaN產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出垂直分工和IDM并存的趨勢。在IDM廠商中，除了英諾賽科等少數(shù)參與者是初創(chuàng)企業(yè)之外，其他的都是傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體大廠，比如英飛凌、TI、安世半導(dǎo)體(聞泰科技旗下)、ST、安森美、華潤微電子等，這些參與者利用自身的垂直整合能力，為市場帶來更有成本優(yōu)勢的產(chǎn)品。垂直分工以納微半導(dǎo)體、GaN Systems、Power Integrations（簡稱PI）、Transphrom、EPC、VisIC、GaN Power等企業(yè)為代表，以初創(chuàng)企業(yè)為居多，是當(dāng)前市場增長的關(guān)鍵性動力。XC4esmc

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表4 GaN供應(yīng)商信息(部分)XC4esmc

再把目光轉(zhuǎn)向GaN產(chǎn)業(yè)鏈，其可劃分為上游材料、中游器件和模組、下游系統(tǒng)和應(yīng)用幾大環(huán)節(jié)。GaN材料包括襯底制備和外延工藝環(huán)節(jié)，襯底一般為外延材料的同質(zhì)材料或適配的異質(zhì)材料制成的晶圓片，外延是指在襯底上生長新單晶薄膜的過程，是半導(dǎo)體器件制造的基礎(chǔ)原材料。XC4esmc

外延在GaN產(chǎn)業(yè)鏈中最為關(guān)鍵，GaN外延片采用幾種襯底技術(shù)——GaN-on-Si（硅基氮化鎵）、GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）、GaN-on-sapphire（藍(lán)寶石基氮化鎵）以及GaN-on-GaN（氮化鎵基氮化鎵），前兩種襯底技術(shù)在GaN產(chǎn)業(yè)鏈中較為主流?，F(xiàn)在，市場上有許多第三方外延供應(yīng)商，包括英國的IQE，日本的NTT-AT以及中國的晶湛半導(dǎo)體等。XC4esmc

在去年9月，集邦咨詢預(yù)估了2021年全球GaN功率廠商出貨量市占率：納微半導(dǎo)體成為全球最大供應(yīng)商，出貨量市占率約為29%；Power Integrations市占率約為24%，繼續(xù)穩(wěn)坐GaN電源市場領(lǐng)先位置；受惠于高、低壓GaN產(chǎn)品出貨量大增，英諾賽科市占一舉攀升至20%；EPC（宜普電源轉(zhuǎn)換公司）專注低壓GaN產(chǎn)品，市占率約為14%。XC4esmc

從上述信息可看出，無論是納微半導(dǎo)體、Power Integrations還是EPC，在全球GaN功率廠商出貨量TOP4企業(yè)中有3家為Fabless企業(yè)，這意味著GaN的產(chǎn)能目前主要由代工廠提供。另據(jù)《國際電子商情》了解，臺積電是納微半導(dǎo)體的代工廠，為其供應(yīng)了大量的GaN芯片，如今納微半導(dǎo)體的GaNFast系列芯片出貨量已突破三千萬顆。XC4esmc

GaN的“上車”歷程比較艱難，目前GaN功率器件只在消費電子領(lǐng)域獲得了批量商用。盡管TI、GaN Systems、安世半導(dǎo)體等廠商已經(jīng)陸續(xù)推出車規(guī)級GaN器件，并與整車企業(yè)展開了深入合作，但預(yù)估近幾年內(nèi)GaN只會小批量滲透到車載OBC/DC-DC中。XC4esmc

此外，因為GaN能讓激光雷達(dá)（Lidar）“看”得更遠(yuǎn)，獲取圖像的速度更快、更清晰。國外有很多Lidar廠與GaN供應(yīng)商已達(dá)成合作：Velodyne與EPC公司合作提升了固態(tài)激光雷達(dá)的分辨率，Velodyne的固態(tài)激光雷達(dá)使用了GaN場效應(yīng)管，比傳統(tǒng)晶體管開關(guān)速度快10倍以上，讓脈沖寬度達(dá)到了1-5納秒。而國內(nèi)的英諾賽科與禾賽科技等Lidar廠商正展開合作。不過，GaN在Lidar上的應(yīng)用，與已經(jīng)起量的消費電子相比，還需要進一步深化。即將舉辦的IIC 2022 國際集成電路展覽會暨研討會，也將聚焦國際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用，大會將于8月16-17日在南京國際博覽中心2號館舉辦“高效電源管理及寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用論壇”，屆時將有英諾賽科、EPC、PI等企業(yè)的精彩演講，歡迎 免費報名 參加。XC4esmc

小結(jié)

最后，也可以肯定的是，終端應(yīng)用需求的激增會推動SiC、GaN晶圓尺寸向8英寸方向升級。如前文所述，現(xiàn)在SiC及GaN晶圓主要被限制在4-6英寸，相信頭部供應(yīng)商在8英寸晶圓方面的發(fā)力，將帶動8英寸寬禁帶功率半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)能的增多。未來幾年內(nèi)，SiC、GaN晶圓尺寸往8英寸方向發(fā)展的趨勢將持續(xù)存在。XC4esmc

本文為《國際電子商情》2022年2月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費雜志訂閱申請點擊這里XC4esmc