第三代半導(dǎo)體，SiC/GaN賽道在“爭”什么？

“碳中和”趨勢不斷推動，第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)在近些年不斷“出圈”。2021年，這些第三代半導(dǎo)體廠商，比如SiC廠商有泰科天潤、同光晶體、天域半導(dǎo)體、世紀(jì)金光、基本半導(dǎo)體、芯聚能、南砂晶圓、瞻芯電子等獲得融資，GaN廠商有GaN Systems、Transphorm、IVWorks、VisIC、氮矽科技、鎵未來、芯元基、芯冠科技等迎來市場上的融資熱潮。
功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心驅(qū)動力是能源轉(zhuǎn)換革命。用電需求的提升與低碳環(huán)保的需求，讓更智慧、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、配送、儲存和使用方式成為后摩爾時代的剛需。第三代半導(dǎo)體SiC和GaN將在可循環(huán)的高效、高可靠性能源系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。 
受益于新能源革命，光伏儲能、新能源汽車以及工業(yè)自動化等下游應(yīng)用的多點爆發(fā)，使功率半導(dǎo)體行業(yè)迎來了高景氣周期。
日前，由TrendForce集邦咨詢主辦的“化合物半導(dǎo)體新應(yīng)用前瞻分析會”上，據(jù)集邦咨詢預(yù)測，2025年全球功率分立器件及模塊市場規(guī)模將達到274億美金，其中寬禁帶半導(dǎo)體SiC/GaN市場份額將從2020年的3%擴大到2025年的17%。
細(xì)分來看，全球SiC功率市場規(guī)模將從2020年的6.8億美元增長至2025年的33.9億美元，其中新能源汽車（主逆變器/OBC/DC-DC)將成為主要驅(qū)動力，或在2025年占據(jù)62%市場份額。全球GaN功率市場規(guī)模預(yù)計將從2020年的4800萬美元增長到2025年的13.2億美元，CAGR達94%。

Trendforce集邦咨詢的化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕指出，2019年中國寬禁帶半導(dǎo)體（功率+射頻）投資規(guī)模僅有263億人民幣，2020年達到了709億人民幣，另外從多家企業(yè)得到融資的情況也反饋出市場對這個領(lǐng)域的看好。
SiC產(chǎn)業(yè)加速垂直整合，大廠提前鎖定襯底產(chǎn)能
當(dāng)前SiC產(chǎn)業(yè)正在加速進行垂直一體化整合，特別是對SiC襯底的爭奪。羅姆、安森美、STM等器件大廠都在向上游延伸，涉足材料領(lǐng)域。
以6英寸SiC晶圓為例，襯底的價值約占一半，對供應(yīng)鏈、技術(shù)、專利壁壘的要求很高。龔瑞驕表示，“SiC襯底具有極高的產(chǎn)品附加值，另外其制程技術(shù)復(fù)雜，它的晶體生長速度也非常緩慢，是SiC晶圓產(chǎn)能的關(guān)鍵制約點。未來我們認(rèn)為取得SiC襯底資源將是進入下一代電動車功率器件的入場門****?！?/span>
國際大廠在SiC方面的布局早已“蓄謀已久”。例如ST在2019年12月2日完成對瑞典碳化硅（SiC）晶圓制造商Norstel AB（“ Norstel”）的整體收購，Norstel并購案總價為1.375億美元。
臺系廠商加碼GaN制程研發(fā)，欲再造代工輝煌
GaN功率市場以GaN-on-Si、GaN-on-Sapphire和垂直GaN器件形式存在，目前應(yīng)用最廣泛的是GaN-on-Si。GaN產(chǎn)業(yè)鏈中外延環(huán)節(jié)至關(guān)重要，目前出現(xiàn)了很多第三方外延片供應(yīng)商，例如英國IQE，日本NTT-AT以及國內(nèi)晶湛半導(dǎo)體都處于領(lǐng)先地位。但值得注意的是，目前整個市場絕大部分外部產(chǎn)能仍然掌握在臺積電這種“外延+器件“”深度綁定的代工廠手中。另外目前臺系廠商正積極投入到GaN制程研發(fā)上，試圖復(fù)制硅晶圓代工上的成功。
Navitas是GaN消費市場領(lǐng)域最大玩家，目前已與全球頂級手機OEM廠商及PC設(shè)備制造商展開合作，包括戴爾、聯(lián)想、小米、OPPO等。老牌電源芯片廠PI則通過收購Velox并利用其GaN-on-Sapphire技術(shù)進入該市場。國內(nèi)廠商英諾賽科今年高低壓產(chǎn)品出貨量大幅增加，另外專注于低壓器件的EPC公司發(fā)展也不錯。
隨著產(chǎn)品集成度的提升，目前GaN產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)IDM與垂直分工并存局面。IDM中，除了英諾賽科等極少數(shù)的初創(chuàng)企業(yè)以外，以傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體大廠為主，他們會更多的考量產(chǎn)品的成熟度、成本等因素。Fabless則更專注于產(chǎn)品的特色化設(shè)計，基本上都是初創(chuàng)企業(yè)，目前已成為市場增長的關(guān)鍵推動力。
電動車市場應(yīng)用：SiC成主流趨勢，GaN小批量滲透
自SiC二極管首次商業(yè)化以來、SiC功率市場一直由供電應(yīng)用推動，直到其2018年首次應(yīng)用于特斯拉主逆變器后，汽車逐漸成為殺手級應(yīng)用。目前全球汽車市場正將數(shù)十億美金投向SiC，以期待提升電動汽車的性能，例如延長續(xù)航里程、縮短充電時間等。
據(jù)Trendforce集邦咨詢預(yù)估，隨著電動車滲透率不斷升高以及整車架構(gòu)朝高壓化方向邁進，保守估計2025年全球電動車市場對6英寸SiC晶圓的需求量將達到169萬片，其中絕大部分應(yīng)用將會體現(xiàn)在主逆變器上。
龔瑞驕表示，“影響SiC上車的關(guān)鍵因素是SiC實現(xiàn)的電池節(jié)約成本和SiC生產(chǎn)成本之間的對抗。從目前來看，進展是令人滿意的，SiC已經(jīng)被放量使用在OBC和DC-DC組件中，但在主逆變器中應(yīng)用尚不成熟，現(xiàn)階段量產(chǎn)上車的主要是特斯拉、比亞迪和現(xiàn)代?；谶@種情況，頭部的SiC器件廠商正與Tier1及車企展開緊密合作，以推進上車進程?！?/span>
受限于可靠性等問題，GaN上車之路則較為艱難，但TI、GaN Systems、安世等廠商已經(jīng)陸續(xù)推出了相應(yīng)產(chǎn)品，并與車企展開深入合作，預(yù)計近兩年GaN將小批量滲透到低功率OBC、DC-DC中。而除了動力系統(tǒng)應(yīng)用以外，GaN還將在激光雷達、車載信息娛樂系統(tǒng)等組件中有所體現(xiàn)。
800V SiC逆變器將是下一代高效電動車的核心部件。龔瑞驕表示，“電動車市場對于延長續(xù)航里程及縮短充電時間有著極大需求，整車平臺高壓化趨勢愈演愈烈。以800V平臺搭載進程來看，保時捷Taycan是第一個搭載800V高壓平臺車型，但出于對整車可靠性的考慮，并未采用SiC技術(shù)，而是沿用了日立IGBT模塊。今年基于現(xiàn)代E-GMP平臺構(gòu)建的兩款車是第一批實現(xiàn)800V SiC平臺的車型，而明年上市的小鵬G9則是國內(nèi)首款基于800V SiC平臺車型。”
最后，除了持續(xù)擴充產(chǎn)能外，第三代半導(dǎo)體將朝8英寸晶圓及新封裝技術(shù)發(fā)展。當(dāng)前全球SiC襯底量產(chǎn)進程從6英寸向8英寸邁進，中國是從4英寸向6英寸邁進。
為積極推動SiC襯底的進展，中國大陸正積極投資SiC襯底項目，其中天科合達、天岳先進、同光晶體、爍科晶體等廠商都取得了不錯的進展。在汽車高度電氣化和智能化的趨勢下，SiC將迎來大規(guī)模的上車應(yīng)用。
GaN功率器件被廣泛應(yīng)用于AC/DC和DC/DC電源轉(zhuǎn)換中，市場主要驅(qū)動力來自消費電子，目前已有多家手機OEM及PC設(shè)備商推出GaN快速充電器。新能源汽車/數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域也將是GaN未來重點發(fā)展方向。
來源：化合物半導(dǎo)體市場