SiC和GaN“上车”的最新进展如何？

进入到2023年，业界持续关注以SiC(碳化硅)和GaN（氮化镓）为代表的第三代半导体发展。不过，这两类半导体应用的表现，仍然面临着许多挑战。Jj3esmc

截至目前，SiC和GaN的商业进程最新进展如何？Jj3esmc

具体来看，虽然SiC已经在汽车上批量应用，但是受限于由于良率和性价比问题，对大部分汽车而言，SiC器件的成本依旧过高；GaN的商用集中在消费电子的快充领域，近几年也拓展到了数据中心领域，只是其上车进程却迟迟未见明显收效。Jj3esmc

8英寸SiC正进入市场，目前市占率低于2%

根据TrendForce预测，SiC功率元件的市场规模将从2022年的16.09亿美元，增长到2026年的53.28亿美金，期间的年复合增长率高达35%。Jj3esmc

集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄指出，SiC衬底在过去几年中，一直处于供不应求的状态，预测全球等效6英寸SiC的导电型碳化硅衬底材料生产，将会从2022年的107万片成长到2026年的569万片。Jj3esmc

6英寸碳化硅晶圆仍是市场的主流产品，其市场份额约占80%，到2025年该数字将提升至90%。另外，8英寸碳化硅晶圆也正在进入市场，当前其市占率仍低于2%，预计到2026年市场份额将增长到15%。Jj3esmc

如今，全球有超过15家厂商展示了8英寸碳化硅衬底样品，其中以Wolfspeed和Vitesco两家厂商为代表，其他参与8英寸晶圆设施的厂商，还包括ST、英飞凌、博世、onsemi、罗姆、三菱等国际厂商，以及天科合达、天岳先进、烁科晶体、同光半导体等中国厂商。Jj3esmc

• Wolfspeed在美国有一座8英寸晶圆厂，该公司还与Tier1采埃孚计划在德国建立一座8英寸晶圆厂。
• ST去年宣布计划投资7.3亿欧元在意大利建设8英寸的碳化硅设施；ST还于2023年6月宣布，与三安光电在重庆将设立一座8英寸碳化硅晶圆制造厂，三安光电将建造一个额外的8英寸碳化硅衬底设施来作为配套。
• 英飞凌在去年投资20亿欧元，以扩展其马来西亚居林工厂的宽禁带半导体产能。
• 博世在今年收购了芯片生产商TSI半导体公司，后者在美国加州拥有一座8英寸的专用芯片晶圆厂，博世计划未来将投资14亿欧元，把加州8英寸晶圆厂改建成碳化硅产线。

从国际厂商的布局中可以看出，其实大厂非常关注8英寸碳化硅的发展。随着衬底技术的不断突破、产能的提升，8英寸碳化硅晶圆厂的投资也在不断增加，相信未来8英寸SiC晶圆的市场渗透动作将更快。Jj3esmc

SiC加速“上车”，车厂忙着抢产能

一方面是SiC器件厂商抢占衬底厂的产能，另一方面是汽车厂商抢占SiC器件。以汽车厂为例，由于车厂正寻求多元化的供应链体系，以此来避免汽车供应链风险。比如，特斯拉的碳化硅器件供应商有ST和安森美；比亚迪的碳化硅供应商有ST和博世等。除此之外，其他汽车产业链参与者，也在通过投资或者合资的方式，参与到碳化硅供应链的建设中。Jj3esmc

今年被业界关注的事件有：1月，采埃孚与Wolfspeed共同投资30亿美元在德国建造一座碳化硅晶圆厂和研发中心；5月底，纬湃科技(Vitesco Technologies)向onsemi投资2.5亿美金，以购买全新碳化硅设备支持后者碳化硅产品的发展；6月7日，三安光电与意法半导体联合宣布双方已签署协议，拟在中国重庆共同建立8英寸碳化硅器件合资制造工厂；7月5日，瑞萨电子与Wolfspeed宣布达成一项晶圆供应协议，前者向后者支付了20亿美元保证金，后者承诺向前者供应为期十年的碳化硅裸片和外延片。以上种种迹象表明，汽车产业链玩家看好碳化硅的发展前景。Jj3esmc

应用方面，SiC在800V汽车市场有突出的优势，该技术的应用能更好地解决充电焦虑问题。自2021年开始，许多汽车制造商开始采用SiC MOSFET的技术，包括2023年小鹏的G6、奥迪Q6 E-Tron，以及比亚迪仰望U8等，这些800V车型均搭载了SiC MOSFET。Jj3esmc

2022年，800V汽车系统在B级汽车市场的渗透率大约为3%，该渗透率主要由现代loniq5、起亚EV6等车型贡献。预计到2026年，这一数值将会提升到15%左右。同时，800V汽车系统的蓬勃发展，也会推动SiC市场的进一步发展。Jj3esmc

SiC在充电功率市场也有较好的发展。对此，龚瑞骄指出，随着越来越多汽车厂商开始将碳化硅技术引入到汽车的电驱系统中，预计车用SiC功率元件市场将会从2022年的10.9亿美金成长到2026年的39.8亿美金，复合增长率达到38%。Jj3esmc

再看中国车用SiC市场：上汽、北汽、广汽等车厂都在重金投资本土碳化硅供应链，被投资企业包括瞻芯电子、清纯半导体、泰科天润等厂商，而这些SiC企业的产品，或实现了在汽车OBC、DC-DC上的搭载，或已经处于市场验证阶段。Jj3esmc

与此同时，一些传统的工业半导体厂商也在碳化硅市场发力，包括中车、比亚迪、士兰微、斯达半导体等。比如，去年4月，中车时代宣布拟投资约4.62亿元人民币，将现有4英寸SiC芯片线年10,000片/年的能力提升到6英寸SiC芯片线25,000片/年；早在几年前比亚迪方面就曾表示，预计到2023年，将在旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代；士兰微目前已具备月产2,000片6英寸SiC芯片的生产能力，预计到今年年底SiC芯片生产能力将提升至6,000片/月；斯达半导在推进碳化硅产能扩充计划，募投项目规划6万片/年的6英寸碳化硅芯片产能。Jj3esmc

GaN消费类快充应用突出，但“上车”长路漫漫

GaN因具备宽禁带、高频率、低损耗、抗辐射强等优势，可满足了各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求。理论上，GaN适用于开关电源、电动汽车、光伏发电、UPS、数据中心、无线充电、芯片处理器等应用场景。GaN商业化得最好的应用是消费电子快充，其在数据中心的应用逐渐开始起来，但在电动汽车上的应用还需进一步发展。Jj3esmc

如果关注上游的器件部分，GaN功率芯片赛道的玩家包括纳微半导体、Power Integration(PI)、英诺赛科等，依托在消费类快充的应用，GaN芯片出货量已经到达数亿颗。比如，截至2023年Q2季度末，英诺赛科GaN芯片出货量已超1.7亿颗，纳微半导体的高压GaN芯片出货量超7,500万颗。Jj3esmc

GaN在消费类快充应用的迅速走红，也使得其在其他领域的商用进程广受关注。近年来，许多GaN器件厂商将目光转向了工业市场，而数据中心是GaN在工业市场关键的应用场景。实际上，数据中心的耗电量巨大，使用GaN功率元件可减少数据中心的耗电量，并且提高服务器的运行效率、降低运营成本。Jj3esmc

不过，GaN“上车”却迟迟未见明显的收效。虽然现在大家谈论第三代半导体时，经常会同时讨论GaN和SiC，但是若说在到汽车市场的应用情况时，大部分人只会把目光聚焦在SiC上。其实，汽车也是GaN的潜力市场之一，许多OEM和Tier1也看好GaN在汽车市场的发展。具体而言，GaN可应用于汽车的OBC、DC-DC、BMS等部件中。Jj3esmc

在众多下游市场应用的带动下，GaN的市场规模也正在起量。根据TrendForce预测，GaN功率元件的市场规模将从2022年的1.8亿美金，增长到2026年的13.3亿美金，期间的年复合增长率高达65%。Jj3esmc

回到老生常谈的话题——当前限制GaN商用的因素究竟有哪些？Jj3esmc

华灿光电氮化镓电力电子研发总监邱绍谚指出，GaN目前也处于发展的萌芽期，仍面临同质衬底生长、可靠性不佳等技术问题，限制了生产良率和商用化发展。其中，GaN器件特性由外延结构决定，器件的可靠性则与材料质量紧密相关。目前，GaN衬底仍在开发中，市场上尚未有成熟的GaN衬底，只能使用硅和蓝宝石等异质接面衬底，而这些导致了GaN器件特性不佳。Jj3esmc

即使在商用过程中面临着一些难题，也无法阻碍整个市场的向前发展。到目前为止，消费类领域的GaN快充的各项参数也越来越大。随着用户用电需求的增加，GaN快充的输出功率也在不断提高，比如今年小米推出的300W GaN快充的功率密度高达2.31W/cm³。Jj3esmc

再关注GaN在快充中的价值量分布。GaN在功率市场最主要的价值量体现在15W-65W的市场。但随着大功率快充的发展，市场上出现了“GaN LLC+PFC方案”，该方案解决了传统电源方案的外围电阻复杂、成本高的难题，未来GaN有望持续在这一领域大规模渗透。Jj3esmc

笔者在前文中也提到，GaN在汽车中的应用主要涉及到OBC、DC-DC等，为了让电动汽车更加节能，其实也有少数厂商在致力于开发汽车逆变器GaN功率元件。比如，Cambridge GaN Devices(CGD)在2022年12月宣布，公司与与IFP Energies nouvelles(IFPEN)签署了汽车逆变器开发协议。根据协议，IFPEN将在一款新的汽车逆变器设计中采用CGD的 ICeGaN™ GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)。Jj3esmc

但GaN在汽车市场仍处于早期验证阶段，业内分析师认为，估计到2025年左右，GaN才会小批量渗透到低功率的OBC和DC-DC中。大概在2030年，OEM才可能会考虑将GaN引入到汽车逆变器中。因此，虽然GaN玩家在汽车市场的前景广阔，但需要产业界共同努力来推进它的每一个应用。Jj3esmc

半导体大厂双布局：SiC和GaN两手抓

去年，笔者在《宽禁带功率半导体的竞争格局及趋势分析》和《第三代半导体加速爆发，SiC、GaN产业化进度如何？》两篇文章中，对SiC和GaN产业链、供应商、融资进度，以及竞争格局均作过详细介绍，文本就不对这些内容再做赘述。Jj3esmc

值得注意的是，在发力SiC和GaN的玩家中，有一个特点已经越来越突出，即部分有实力的大厂在同时布局SiC和GaN。Jj3esmc

最近的消息是，今年3月，英飞凌宣布将以8.3亿美元收购GaN Systems公司，后者是开发基于GaN的功率转换解决方案的全球技术领导者。Jj3esmc

GaN Systems在汽车市场拥有包括宝马、纬湃科技等客户，在消费快充市场拥有包括三星在内的客户。英飞凌方面表示，在完成对GaN Systems的收购后，英飞凌将会进一步扩展自己的GaN功率器件生产线，并进一步扩展市场份额。从2022年的市场份额来看，GaN Systems约占12%的份额，位列全球第五。预计英飞凌与GaN Systems合体后的市场份额大约为15%。Jj3esmc

另一个例子是，纳微半导体在2022年8月宣布收购GeneSiC Semiconductor，将原本的GaNFast氮化镓功率芯片产品线扩展，新增GeneSiC碳化硅产品线。纳微半导体在汽车方面的布局主要在车载充电桩方面。据资料显示：纳微旗下的碳化硅技术已为十几家充电桩服务商客户采用，纳微半导体基于SiC技术的车载充电器已经进入车企供应链，比如中国的比亚迪和吉利也都采用了GeneSiC的方案，今年年初，纳微半导体还与吉利集团旗下威睿汽车开设联合电动汽车设计中心。Jj3esmc

在SiC与GaN的共同驱动下，纳微半导体的营收也不断攀升。2023年Q1，纳微半导体的净销售额增至1,340万美元，较2022年Q1同比接近翻番，较2022年Q4增长8%。且毛利率达到了41.1%。Jj3esmc

小结

笔者关注到，无论是SiC还是GaN，都还面临着良率和成本问题，而硅器件在汽车市场上仍有较大的性价比优势。当然，在整个产业链参与者的积极推动下，SiC和GaN的成本正慢慢降低，其在汽车市场的需求将会进一步加大，所以从整体上看，未来这两类技术都将有更好的发展。Jj3esmc