SiC、GaN在功率半导体中扮演不同角色
宽禁带半导体在国内也被称为“第三代半导体”，目前以SiC、GaN材料半导体器件为代表，适用于光电子、功率电子、射频电子三大领域。我们主要针对SiC、GaN在功率电子的应用来展开，对光电子、射频电子应用只做简单提及。jo1esmc
基于GaN基LED的半导体照明具有显著的节能效益，在我国宽禁带半导体最早应用在半导体照明领域，国产化替代率接近40%。早在十几年前，国内光电厂就开始尝试把GaN材料应用于LED领域，华灿光电从2005年开始深耕GaN材料领域，针对蓝光、绿光等照明、显示应用。jo1esmc
GaN在射频电子领域的应用从军用雷达开始，军用雷达的探测距离与功率密度成正比，氮化镓比砷化镓的功率密度高一个数量级，前者在相控阵雷达中具备无法替代的优势。在过去的20多年里，宽禁带半导体在射频电子领域的应用更多的是靠政府在投入和推动。jo1esmc
SiC、GaN材料工艺的进一步突破，促成了宽禁带功率半导体时代的到来。当前，SiC在新能源汽车、轨道交通应用中占据主导地位。在PCIM Europe 2020期间，GaN Systems的CEO Jim Witham介绍了一款All-GaN（全氮化镓）汽车，该车型由名古屋大学研发团队基于GaN Systems技术开发，采用了可再生的太阳能蓄电池做动力，证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性。全氮化镓电动汽车概念的提出，体现出SiC与GaN能在新能源汽车领域扮演着不同角色。jo1esmc
再把聚焦的点放广，观察功率半导体的特点：首先，它并不紧跟摩尔定律，而是采用成熟的制程工艺。由于功率半导体的生命周期较长，英飞凌在十余年前推出第四代IGBT产品，时至今日该产品的热度依旧很高；其次，其产业高度定制化，设计与制造高度协同，包括英飞凌、安森美、ST、TI、Wolfspeed（2021年10月，Cree正式更名为Wolfspeed）、罗姆等主流功率半导体厂商均采用IDM模式，这种模式可在制造环节为厂商极大提升附加值。jo1esmc
对此，集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄表示，SiC、GaN将通过突破Si(硅)的性能极限来开拓功率半导体新市场，也会在部分与Si交叉重合的领域，达到更高的性能、更低的系统性成本。“功率半导体产业的核心驱动力是‘能源转换革命’，以此来满足用电需求及低碳环保需求。SiC、GaN在能源系统中至关重要，是企业实现‘碳中和’的重要方式。”jo1esmc
值得一提的是，即将举办的IIC 2022 国际集成电路展览会暨研讨会 将聚焦国际 “碳中和” 产业发展前沿科技，大会将于4月20-21日在上海举行“2022 国际“碳中和”电子产业发展高峰论坛”欢迎 免费报名 参加。jo1esmc
SiC更适合高功率应用，包括特高压电网、风电、光伏、储能以及新能源汽车。这些应用对电池电压系统要求严苛，SiC器件的应用能带来较大的优势。GaN更适合高频率应用，消费电子领域的快充是热门产品，未来也能在数据中心及汽车领域大放异彩。jo1esmc
在应用上，SiC由汽车电动化浪潮推动。特斯拉在汽车上首次批量应用车用SiC功率器件加速推动了SiC的商用步伐。与此同时，全球SiC功率器件市场规模将从2020年的6.8亿美元，增长至2025年的33.9亿美元，CAGR(年复合增长率)达38%。其中，车载逆变器、OBC、DC-DC是主要驱动力，到2025年这些部件或占62%的市场份额。当然，除了备受关注的汽车应用之外，SiC还适用于充电桩和光伏储能领域。jo1esmc
GaN在消费电子市场正快速起量，预估2021年全球GaN市场销售额为8,300万美元，CAGR为73%。在产品应用方面，安卓系的OPPO、小米、vivo等厂商已推出好几代GaN快充产品，苹果也在2021年Q4推出功率达140W的GaN快充产品。jo1esmc
不过，GaN在工业和汽车领域仍待进一步落地。据分析机构的判断，GaN需要从消费电子应用出发，来反复验证GaN功率器件的可靠性，还要在此基础上建立产能、完善生态格局，以便厂商后续能把它推向工业/汽车领域。预计到2025年，GaN的市场规模将达13.2亿美元，届时会在新能源汽车、电信及数据中心领域有较好应用。jo1esmc
资本青睐SiC/GaN，目前市场融资热度高
近年来，国内SiC、GaN项目落地和企业融资热度都很高。据集邦咨询统计，2020年全国宽禁带半导体投资规模达709亿人民币，该数字是2019年的2.67倍。jo1esmc
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表1 中国SiC厂商融资信息(部分)jo1esmc
《国际电子商情》统计了部分国内SiC企业的融资情况（表1）。可以看出，自2015年之后，多家国产SiC厂商获得了投资机构的支持，尤其是在2020-2021年期间，许多企业的融资进度显著增加。值得关注的是，过去一年中有获得投资的同光晶体、天域半导体、世纪金光、南砂晶圆均为SiC衬底厂。又因多笔融资未公布具体金额，我们无法做更详细的对比，但可以看出2021年投资方的数量也有增多，这代表资本看好国内SiC市场的发展。jo1esmc
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表2 GaN厂商融资信息(部分)jo1esmc
在SiC实现商用后不久，GaN也迅速成为资本关注的焦点。《国际电子商情》在表2中，罗列了国内外GaN企业近十年来的融资情况，包括GaN Systems、Transphorm、VisIC、氮矽科技、镓未来、芯元基等公司的融资动态。jo1esmc
GaN Systems早在2011年就获得A轮融资，截至2021年12月31日，总计获得6轮融资。最新一轮发生在2021年11月18日，是一笔1.5亿美元的战略融资，BMW i Ventures是投资方之一，它是宝马集团旗下的风投公司。在2017年，该机构就对GaN Systems做了战略投资，时隔四年之后的再次投资，释放出宝马集团对GaN材料的支持态度。国内较早获得融资的GaN企业是能华微，2014年5月获得了一笔天使轮融资，具体金额未公布。jo1esmc
同样地，2021年资本加快了对GaN企业的投资，表2中9家企业在过去一年里均有成功融资，特别是镓未来和VisIC分别获得了两轮融资。jo1esmc
无论是SiC还是GaN，它们在资本市场的热度已经高涨。但需注意的是，这些产业仍处在初级阶段，相对Si而言整体规模较小。近年来众多企业、资本纷纷涌入，警醒业者需要关注实际的市场需求。另外，与成熟商用的Si相比，SiC/GaN的成本尚无优势，各产业链参与者也需正视，至少在短期内，SiC/GaN功率器件的价格不会太低。jo1esmc
SiC/GaN功率半导体的竞争格局
据集邦咨询预测，到2025年,全球功率分立器件及模块市场规模将达274亿美金。SiC功率器件市场份额将达12%，GaN功率器件市场份额达5%。在此背景下，更多参与者涌入SiC/GaN市场，这些产业的格局具备如何？jo1esmc
·SiC产业链分析
SiC大致有衬底、外延、器件、应用四个环节。SiC在半导体中主要以衬底材料出现，衬底是SiC产业的核心环节。SiC长晶难度大、技术壁垒高，主流衬底厂更倾向于结合自己对工艺的理解来制造设备，这使得稳定量产SiC衬底较为困难。SiC衬底再经过外延生长、器件制造等环节制成SiC器件。SiC的晶圆尺寸与对应晶圆的生长、加工技术难度成正比。jo1esmc
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表3 SiC供应商信息(部分)jo1esmc
从竞争格局来看，国际厂商在SiC衬底上占优势，全球约有7至8成的SiC产量来自美企，其次欧日企业也在SiC市场占有领先地位。因衬底常用Lely法(热升华，无籽晶)制造，国际主流采用6英寸晶圆，目前正向8英寸晶圆过渡，例如，Wolfspeed、II-VI等正在建设8英寸SiC晶圆产线。现在，国内在单晶衬底方面以4英寸为主，主要用于10A以下小电流产品，部分企业已完成6英寸衬底的研发，其中三安集成(三安光电旗下)、天科合达和山东天岳的发展较快。jo1esmc
一个新兴行业的发展经历前期铺垫后，整个市场会呈现出较为明显的趋势。当前，SiC产业正加速垂直整合，许多功率器件大厂向上游延伸，这涉及到了材料领域，特别是对SiC衬底的争夺。龚瑞骄表示，SiC衬底具备高产品附加值，且制程复杂、晶体生长缓慢，是制约SiC晶圆产能的关键因素。该环节的重要性也表现在成本上，以6英寸SiC晶圆成本结构为例，衬底约占46%的成本，芯片只占22%的成本。jo1esmc
近年来，国际功率器件大厂并购上游材料厂的案例较多——罗姆收购单晶SiC衬底厂SiCrystal、ST收购SiC晶圆制造厂Norstel，安森美收购SiC衬底厂GTAT,Ⅱ-Ⅵ收购SiC外延片/器件制造厂Ascatron以及离子注入服务提供商Innovion，英飞凌收购晶圆冷切割技术公司Siltectra。而国内的三安光电充分整合内部资源，在湖南长沙启动了中国首条SiC产线。jo1esmc
除了并购之外，功率器件大厂也在提前锁定衬底产能。例如英飞凌在2020年与GTAT达成了为期5年的合作；ST扩大与Cree（2021年10月更名为Wolfspeed）的长期SiC晶圆供应协议,后者将数年内持续供应150mm SiC裸晶圆和外延片，协议总金额将扩大至超过8亿美元；安森美在2021年下半年完成对GTAT的收购，原因也是希望能锁定SiC衬底，保证后续SiC器件的出货。为推动中国SiC衬底的发展，大陆资本也在积极投资SiC衬底厂商，其中天科合达、山东天岳、同光晶体、烁科晶体的进展不错。jo1esmc
SiC功率器件能显著提升新能源汽车的性能，包括提升续航能力、充电速率、汽车轻量化能力，这促使SiC在新能源汽车领域的应用比例最高可达33%。龚瑞骄称，SiC带来的电车节约成本和SiC生产成本之间的对抗，是影响SiC“上车”的关键因素。由于SiC器件价格较昂贵，在新能源汽车的渗透率现仅为2%。当下游器件的制造效率越高，其单位所消耗的成本就越低，SiC器件制造商还需提升效率。jo1esmc
SiC在OBC、DC-DC取得了不错进展，但其在主驱逆变器中的“上车”还太成熟。头部SiC供应厂商正与Tier1合作，其800V高压平台将成功应用在整车厂。现代的两款车型是首批采用800V SiC平台的车型，小鹏汽车去年推出的G9也采用了800V SiC。随着电动汽车的整车架构朝800V方向迈进，预计到2025年，全球对6英寸SiC晶圆的需求量将达169万片，其中绝大部分应用会体现在汽车主逆变器上。jo1esmc
·GaN产业链分析
伴随集成度的提升，GaN产业也呈现出垂直分工和IDM并存的趋势。在IDM厂商中，除了英诺赛科等少数参与者是初创企业之外，其他的都是传统功率半导体大厂，比如英飞凌、TI、安世半导体(闻泰科技旗下)、ST、安森美、华润微电子等，这些参与者利用自身的垂直整合能力，为市场带来更有成本优势的产品。垂直分工以纳微半导体、GaN Systems、Power Integrations（简称PI）、Transphrom、EPC、VisIC、GaN Power等企业为代表，以初创企业为居多，是当前市场增长的关键性动力。jo1esmc
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表4 GaN供应商信息(部分)jo1esmc
再把目光转向GaN产业链，其可划分为上游材料、中游器件和模组、下游系统和应用几大环节。GaN材料包括衬底制备和外延工艺环节，衬底一般为外延材料的同质材料或适配的异质材料制成的晶圆片，外延是指在衬底上生长新单晶薄膜的过程，是半导体器件制造的基础原材料。jo1esmc
外延在GaN产业链中最为关键，GaN外延片采用几种衬底技术——GaN-on-Si（硅基氮化镓）、GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）、GaN-on-sapphire（蓝宝石基氮化镓）以及GaN-on-GaN（氮化镓基氮化镓），前两种衬底技术在GaN产业链中较为主流。现在，市场上有许多第三方外延供应商，包括英国的IQE，日本的NTT-AT以及中国的晶湛半导体等。jo1esmc
在去年9月，集邦咨询预估了2021年全球GaN功率厂商出货量市占率：纳微半导体成为全球最大供应商，出货量市占率约为29%；Power Integrations市占率约为24%，继续稳坐GaN电源市场领先位置；受惠于高、低压GaN产品出货量大增，英诺赛科市占一举攀升至20%；EPC（宜普电源转换公司）专注低压GaN产品，市占率约为14%。jo1esmc
从上述信息可看出，无论是纳微半导体、Power Integrations还是EPC，在全球GaN功率厂商出货量TOP4企业中有3家为Fabless企业，这意味着GaN的产能目前主要由代工厂提供。另据《国际电子商情》了解，台积电是纳微半导体的代工厂，为其供应了大量的GaN芯片，如今纳微半导体的GaNFast系列芯片出货量已突破三千万颗。jo1esmc
GaN的“上车”历程比较艰难，目前GaN功率器件只在消费电子领域获得了批量商用。尽管TI、GaN Systems、安世半导体等厂商已经陆续推出车规级GaN器件，并与整车企业展开了深入合作，但预估近几年内GaN只会小批量渗透到车载OBC/DC-DC中。jo1esmc
此外，因为GaN能让激光雷达（Lidar）“看”得更远，获取图像的速度更快、更清晰。国外有很多Lidar厂与GaN供应商已达成合作：Velodyne与EPC公司合作提升了固态激光雷达的分辨率，Velodyne的固态激光雷达使用了GaN场效应管，比传统晶体管开关速度快10倍以上，让脉冲宽度达到了1-5纳秒。而国内的英诺赛科与禾赛科技等Lidar厂商正展开合作。不过，GaN在Lidar上的应用，与已经起量的消费电子相比，还需要进一步深化。即将举办的IIC 2022 国际集成电路展览会暨研讨会，也将聚焦国际宽禁带半导体技术应用，大会将于8月16-17日在南京国际博览中心2号馆举办“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”，届时将有英诺赛科、EPC、PI等企业的精彩演讲，欢迎 免费报名 参加。jo1esmc
小结
最后，也可以肯定的是，终端应用需求的激增会推动SiC、GaN晶圆尺寸向8英寸方向升级。如前文所述，现在SiC及GaN晶圆主要被限制在4-6英寸，相信头部供应商在8英寸晶圆方面的发力，将带动8英寸宽禁带功率半导体晶圆产能的增多。未来几年内，SiC、GaN晶圆尺寸往8英寸方向发展的趋势将持续存在。jo1esmc
本文为《国际电子商情》2022年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里jo1esmc
