第三代半导体，SiC/GaN赛道在“争”什么？

“碳中和”趋势不断推动，第三代半导体材料碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)在近些年不断“出圈”。2021年，这些第三代半导体厂商，比如SiC厂商有泰科天润、同光晶体、天域半导体、世纪金光、基本半导体、芯聚能、南砂晶圆、瞻芯电子等获得融资，GaN厂商有GaN Systems、Transphorm、IVWorks、VisIC、氮矽科技、镓未来、芯元基、芯冠科技等迎来市场上的融资热潮。
功率半导体产业发展的核心驱动力是能源转换革命。用电需求的提升与低碳环保的需求，让更智慧、更高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式成为后摩尔时代的刚需。第三代半导体SiC和GaN将在可循环的高效、高可靠性能源系统中起到至关重要的作用。 
受益于新能源革命，光伏储能、新能源汽车以及工业自动化等下游应用的多点爆发，使功率半导体行业迎来了高景气周期。
日前，由TrendForce集邦咨询主办的“化合物半导体新应用前瞻分析会”上，据集邦咨询预测，2025年全球功率分立器件及模块市场规模将达到274亿美金，其中宽禁带半导体SiC/GaN市场份额将从2020年的3%扩大到2025年的17%。
细分来看，全球SiC功率市场规模将从2020年的6.8亿美元增长至2025年的33.9亿美元，其中新能源汽车（主逆变器/OBC/DC-DC)将成为主要驱动力，或在2025年占据62%市场份额。全球GaN功率市场规模预计将从2020年的4800万美元增长到2025年的13.2亿美元，CAGR达94%。

Trendforce集邦咨询的化合物半导体分析师龚瑞骄指出，2019年中国宽禁带半导体（功率+射频）投资规模仅有263亿人民币，2020年达到了709亿人民币，另外从多家企业得到融资的情况也反馈出市场对这个领域的看好。
SiC产业加速垂直整合，大厂提前锁定衬底产能
当前SiC产业正在加速进行垂直一体化整合，特别是对SiC衬底的争夺。罗姆、安森美、STM等器件大厂都在向上游延伸，涉足材料领域。
以6英寸SiC晶圆为例，衬底的价值约占一半，对供应链、技术、专利壁垒的要求很高。龚瑞骄表示，“SiC衬底具有极高的产品附加值，另外其制程技术复杂，它的晶体生长速度也非常缓慢，是SiC晶圆产能的关键制约点。未来我们认为取得SiC衬底资源将是进入下一代电动车功率器件的入场门****。”
国际大厂在SiC方面的布局早已“蓄谋已久”。例如ST在2019年12月2日完成对瑞典碳化硅（SiC）晶圆制造商Norstel AB（“ Norstel”）的整体收购，Norstel并购案总价为1.375亿美元。
台系厂商加码GaN制程研发，欲再造代工辉煌
GaN功率市场以GaN-on-Si、GaN-on-Sapphire和垂直GaN器件形式存在，目前应用最广泛的是GaN-on-Si。GaN产业链中外延环节至关重要，目前出现了很多第三方外延片供应商，例如英国IQE，日本NTT-AT以及国内晶湛半导体都处于领先地位。但值得注意的是，目前整个市场绝大部分外部产能仍然掌握在台积电这种“外延+器件“”深度绑定的代工厂手中。另外目前台系厂商正积极投入到GaN制程研发上，试图复制硅晶圆代工上的成功。
Navitas是GaN消费市场领域最大玩家，目前已与全球顶级手机OEM厂商及PC设备制造商展开合作，包括戴尔、联想、小米、OPPO等。老牌电源芯片厂PI则通过收购Velox并利用其GaN-on-Sapphire技术进入该市场。国内厂商英诺赛科今年高低压产品出货量大幅增加，另外专注于低压器件的EPC公司发展也不错。
随着产品集成度的提升，目前GaN产业呈现IDM与垂直分工并存局面。IDM中，除了英诺赛科等极少数的初创企业以外，以传统功率半导体大厂为主，他们会更多的考量产品的成熟度、成本等因素。Fabless则更专注于产品的特色化设计，基本上都是初创企业，目前已成为市场增长的关键推动力。
电动车市场应用：SiC成主流趋势，GaN小批量渗透
自SiC二极管首次商业化以来、SiC功率市场一直由供电应用推动，直到其2018年首次应用于特斯拉主逆变器后，汽车逐渐成为杀手级应用。目前全球汽车市场正将数十亿美金投向SiC，以期待提升电动汽车的性能，例如延长续航里程、缩短充电时间等。
据Trendforce集邦咨询预估，随着电动车渗透率不断升高以及整车架构朝高压化方向迈进，保守估计2025年全球电动车市场对6英寸SiC晶圆的需求量将达到169万片，其中绝大部分应用将会体现在主逆变器上。
龚瑞骄表示，“影响SiC上车的关键因素是SiC实现的电池节约成本和SiC生产成本之间的对抗。从目前来看，进展是令人满意的，SiC已经被放量使用在OBC和DC-DC组件中，但在主逆变器中应用尚不成熟，现阶段量产上车的主要是特斯拉、比亚迪和现代。基于这种情况，头部的SiC器件厂商正与Tier1及车企展开紧密合作，以推进上车进程。”
受限于可靠性等问题，GaN上车之路则较为艰难，但TI、GaN Systems、安世等厂商已经陆续推出了相应产品，并与车企展开深入合作，预计近两年GaN将小批量渗透到低功率OBC、DC-DC中。而除了动力系统应用以外，GaN还将在激光雷达、车载信息娱乐系统等组件中有所体现。
800V SiC逆变器将是下一代高效电动车的核心部件。龚瑞骄表示，“电动车市场对于延长续航里程及缩短充电时间有着极大需求，整车平台高压化趋势愈演愈烈。以800V平台搭载进程来看，保时捷Taycan是第一个搭载800V高压平台车型，但出于对整车可靠性的考虑，并未采用SiC技术，而是沿用了日立IGBT模块。今年基于现代E-GMP平台构建的两款车是第一批实现800V SiC平台的车型，而明年上市的小鹏G9则是国内首款基于800V SiC平台车型。”
最后，除了持续扩充产能外，第三代半导体将朝8英寸晶圆及新封装技术发展。当前全球SiC衬底量产进程从6英寸向8英寸迈进，中国是从4英寸向6英寸迈进。
为积极推动SiC衬底的进展，中国大陆正积极投资SiC衬底项目，其中天科合达、天岳先进、同光晶体、烁科晶体等厂商都取得了不错的进展。在汽车高度电气化和智能化的趋势下，SiC将迎来大规模的上车应用。
GaN功率器件被广泛应用于AC/DC和DC/DC电源转换中，市场主要驱动力来自消费电子，目前已有多家手机OEM及PC设备商推出GaN快速充电器。新能源汽车/数据中心等领域也将是GaN未来重点发展方向。
来源：化合物半导体市场