寬能隙功率半導體競爭格局及趨勢分析

作者 : 李晉,國際電子商情(ESMC)

隨著各國相繼確立「碳中和」目標,寬能隙功率半導體在消費電子、汽車電子、工業自動化、5G通訊等領域將迎來前所未有的黃金發展期…

SiC、GaN在功率半導體中扮演不同角色

寬能隙(WBG)半導體在中國也被稱為「第三代半導體」,目前以SiC、GaN材料半導體元件為代表,適用於光電子、功率電子、射頻電子三大領域。本文主要針對SiC、GaN在功率電子的應用來展開,對光電子、射頻電子應用只簡單提及。

基於GaN基LED的半導體照明具有顯著的節能效益,在中國寬能隙半導體最早應用在半導體照明領域,中國國產化替代率接近40%。早在十幾年前,中國光電廠就開始嘗試把GaN材料應用於LED領域,華燦光電從2005年開始深耕GaN材料領域,針對藍光、綠光等照明、顯示應用。

GaN在射頻電子領域的應用從軍用雷達開始,軍用雷達的探測距離與功率密度成正比,GaN比砷化鎵的功率密度高一個數量級,前者在相控陣列雷達中具備無法替代的優勢。在過去的20多年裡,寬能隙半導體在射頻電子領域的應用更多的是靠政府在投入和推動。

SiC、GaN材料製程的進一步突破,促成了寬能隙功率半導體時代的到來。當前,SiC在新能源車、軌道交通應用中佔據主導地位。在PCIM Europe 2020期間,GaN Systems CEO Jim Witham介紹了一款全氮化鎵(All-GaN)車,該車型由名古屋大學研發團隊基於GaN Systems技術開發,採用了可再生的太陽能蓄電池做動力,證明了GaN在汽車功率轉換方面的可行性。全GaN電動車概念的提出,顯示SiC與GaN能在新能源車領域扮演著不同角色。

觀察功率半導體的特點:首先,它並不緊跟摩爾定律,而是採用成熟的製程。由於功率半導體的生命週期較長,英飛凌(Infineon)在十餘年前推出第四代IGBT產品,時至今日該產品的熱度依舊很高;其次,其產業高度客製化,設計與製造高度協同,包括英飛凌、安森美(onsemi)、意法半導體(ST)、德州儀器(TI)、Wolfspeed、羅姆(Rohm)等主流功率半導體廠商均採用IDM模式,這種模式可在製造環節為廠商極大提升附加值。

對此,Trendforce表示,SiC、GaN將透過突破矽的性能極限來開拓功率半導體新市場,也會在部分與矽交叉重合的領域,達到更高的性能、更低的系統性成本。「功率半導體產業的核心驅動力是『能源轉換革命』,以此來滿足用電需求及低碳環保需求。SiC、GaN在能源系統中至關重要,是企業實現『碳中和』的重要方式。」

SiC更適合高功率應用,包括特高壓電網、風電、太陽能、儲能,以及新能源車。這些應用對電池電壓系統要求嚴苛,SiC元件的應用能帶來較大的優勢。GaN更適合高頻率應用,消費電子領域的快充是熱門產品,未來也能在資料中心及汽車領域大放異彩。

在應用上,SiC由汽車電動化浪潮推動。特斯拉(Tesla)在汽車上首次批量應用車用SiC功率元件加速推動了SiC的商用步伐。與此同時,全球SiC功率元件市場規模將從2020年的6.8億美元,成長至2025年的33.9億美元,年複合成長率(CAGR)達38%。其中,車載逆變器、OBC、DC-DC是主要驅動力,到2025年這些零件可佔62%的市場份額。當然,除了備受關注的汽車應用之外,SiC還適用於充電樁和太陽能儲能領域。

GaN在消費電子市場正快速起量,預估2021年全球GaN市場銷售額為8,300萬美元,CAGR為73%。在產品應用方面,Android陣營的OPPO、小米、vivo等廠商已推出好幾代GaN快充產品,蘋果(Apple)也在2021年第四季推出功率達140W的GaN快充產品。

不過,GaN在工業和汽車領域仍待進一步落地。據分析機構的判斷,GaN需要從消費電子應用出發,來反覆驗證GaN功率元件的可靠性,還要在此基礎上建立產能、完善生態格局,以便廠商後續能把它推向工業/汽車領域。預計到2025年,GaN的市場規模將達13.2億美元,屆時會在新能源車、電信及資料中心領域有較佳的應用。

SiC/GaN目前市場融資熱度高

近年來,中國SiC、GaN項目落地和企業融資熱度都很高。據Trendforce統計,2020年終 國寬能隙半導體投資規模達人民幣709億元,該數字是2019年的2.67倍。

 

表1:中國SiC廠商融資資訊(部分)。

(來源:各企業官網及公告,國際電子商情製表)

 

《國際電子商情》統計了部分中國SiC企業的融資情況(表1)。可以看出,自2015年之後,多家國產SiC廠商獲得了投資機構的支持,尤其是在2020~2021年期間,許多企業的融資進度顯著增加。值得關注的是,過去一年中有獲得投資的同光晶體、天域半導體、世紀金光、南砂晶圓均為SiC基板廠。又因多筆融資未公佈具體金額,無法做更詳細的對比,但可以看出2021年投資方的數量也有增多,這代表資本看好中國SiC市場的發展。

 

表2:GaN廠商融資資訊(部分)。

(來源:各企業官網及公告,國際電子商情製表)

 

在SiC實現商用後不久,GaN也迅速成為資本關注的焦點。《國際電子商情》在表2中,羅列了中國與國外GaN企業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。

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。最新一輪發生在2021年11月18日,是一筆1.5億美元的戰略融資,BMW i Ventures是投資方之一,它是BMW集團旗下的風投公司。在2017年,該機構就對GaN Systems進行了戰略投資,時隔4年之後的再次投資,釋放出BMW集團對GaN材料的支持態度。中國較早獲得融資的GaN企業是能華微,2014年5月獲得了一筆天使輪融資,具體金額未公佈。

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

無論是SiC還是GaN,它們在資本市場的熱度已經高漲。但需注意的是,這些產業仍處在初級階段,相對矽而言整體規模較小。近年來眾多企業、資本紛紛湧入,警醒業者需要關注實際的市場需求。另外,與成熟商用的矽相比,SiC/GaN的成本尚無優勢,各產業鏈參與者也需正視,至少在短期內,SiC/GaN功率元件的價格不會太低。

SiC/GaN功率半導體的競爭格局

據Trendforce預測,到2025年,全球功率離散元件及模組市場規模將達274億美元。SiC功率元件市場份額將達12%,GaN功率元件市場份額達5%。在此背景下,更多參與者湧入SiC/GaN市場,這些產業的格局具備如何?

  • SiC產業鏈分析

SiC大致有基板、磊晶、元件、應用四個環節。SiC在半導體中主要以基板材料出現,基板是SiC產業的核心環節。SiC長晶難度大、技術壁壘高,主流基板廠更傾向於結合自己對製程的理解來製造設備,這使得穩定量產SiC基板較為困難。SiC基板再經過磊晶生長、元件製造等環節製成SiC元件。SiC的晶圓尺寸與對應晶圓的生長、加工技術難度成正比。

 

表3:SiC供應商資訊(部分)。

(來源:各企業官網及公告,國際電子商情製表)

 

從競爭格局來看,國際廠商在SiC基板上佔優勢,全球約有七到八成的SiC產量來自美國企業,其次歐日企業也在SiC市場佔有領先地位。因基板常用Lely法(熱昇華,無晶種)製造,國際主流採用6吋晶圓,目前正向8吋晶圓過渡,例如,Wolfspeed、II-VI等正在建設8吋SiC晶圓產線。現在,中國在單晶基板方面以4吋為主,主要用於10A以下小電流產品,部分企業已完成6吋基板的研發,其中三安集成(三安光電旗下)、天科合達和山東天嶽的發展較快。

一個新興行業的發展經歷前期鋪墊後,整個市場會呈現出較為明顯的趨勢。當前,SiC產業正加速垂直整合,許多功率元件大廠向上游延伸,這涉及到了材料領域,特別是對SiC基板的爭奪。Trendforce表示,SiC基板具備高產品附加值,且製程複雜、晶體生長緩慢,是制約SiC晶圓產能的關鍵因素。該環節的重要性也表現在成本上,以6吋SiC晶圓成本結構為例,基板約佔46%的成本,晶片只佔成本的22%。

近年來,國際功率元件大廠並購上游材料廠的案例較多——羅姆收購單晶SiC基板廠SiCrystal、ST收購SiC晶圓製造廠Norstel,安森美收購SiC基板廠GTAT,Ⅱ-Ⅵ收購SiC磊晶片/元件製造廠Ascatron,以及離子注入服務提供者Innovion,英飛凌收購晶圓冷切割技術公司Siltectra。而中國的三安光電充分整合內部資源,在湖南長沙啟動了中國首條SiC產線。

除了併購之外,功率元件大廠也在提前鎖定基板產能。例如英飛凌在2020年與GTAT達成了為期5年的合作;ST擴大與Wolfspeed的長期SiC晶圓供應協議,後者將數年內持續供應150mm SiC裸晶圓和磊晶片,協定總金額將超過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基板,保證後續SiC元件的出貨。為推動中國SiC基板的發展,中國資本也在積極投資SiC基板廠商,其中天科合達、山東天嶽、同光晶體、爍科晶體的進展不錯。

SiC功率元件能顯著提升新能源車的性能,包括提升續航能力、充電速率、汽車輕量化能力,這促使SiC在新能源車領域的應用比例最高可達33%。Trendforce稱,SiC帶來的電車節約成本和SiC生產成本之間的對抗,是影響SiC「上車」的關鍵因素。由於SiC元件價格較昂貴,在新能源車的滲透率現僅為2%。當下游元件的製造效率越高,其單位所消耗的成本就越低,SiC元件製造商還需提升效率。

SiC在OBC、DC-DC取得了不錯進展,但其在主驅逆變器中還不太成熟。領先SiC供應廠商正與Tier 1合作,其800V高壓平台將成功應用在整車廠。現代的兩款車型是首批採用800V SiC平台的車型,小鵬汽車去年推出的G9也採用了800V SiC。隨著電動車的整車架構朝800V方向邁進,預計到2025年,全球對6吋SiC晶圓的需求量將達169萬片,其中絕大部分應用會在主逆變器上。

  • GaN產業鏈分析

伴隨整合度的提升,GaN產業也呈現出垂直分工和IDM並存的趨勢。在IDM中,除了英諾賽科等少數參與者是新創企業之外,其他的都是傳統功率半導體大廠,比如英飛凌、TI、安世半導體(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勢的產品。垂直分工以納微半導體、GaN Systems、Power Integrations (PI)、Transphrom、EPC、VisIC、GaN Power等企業為代表,以新創企業為居多,是當前市場成長的關鍵性動力。

 

表4:GaN供應商資訊(部分)。

(來源:各企業官網及公告,國際電子商情製表)

 

再把目光轉向GaN產業鏈,其可劃分為上游材料、中游元件和模組、下游系統和應用幾大環節。GaN材料包括基板製備和磊晶製程環節,基板一般為磊晶材料的同質材料或適配的異質材料製成的晶圓片,磊晶是指在基板上生長新單晶薄膜的過程,是半導體元件製造的基礎原材料。

磊晶在GaN產業鏈中最為關鍵,GaN磊晶片採用幾種基板技術——矽基氮化鎵(GaN-on-Si)、碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)、藍寶石基氮化鎵(GaN-on-sapphire),以及氮化鎵基氮化鎵(GaN-on-GaN),前兩種基板技術在GaN產業鏈中較為主流。現在,市場上有許多協力廠商磊晶供應商,包括英國的IQE,日本的NTT-AT,以及中國的晶湛半導體等。

在去年9月,Trendforce預估了2021年全球GaN功率廠商出貨量市佔率:納微半導體成為全球最大供應商,出貨量市佔率約為29%;Power Integrations市佔率約為24%,繼續穩坐GaN電源市場領先位置;受惠高、低壓GaN產品出貨量大增,英諾賽科市佔一舉攀升至20%;宜普電源轉換(EPC)專注低壓GaN產品,市佔率約為14%。

從上述資訊可看出,無論是納微半導體、Power Integrations還是EPC,在全球GaN功率廠商出貨量TOP4企業中有3家為無晶圓(Fabless)企業,這意味著GaN的產能目前主要由代工廠提供。另據《國際電子商情》瞭解,台積電(TSMC)是納微半導體的代工廠,為其供應了大量的GaN晶片,如今納微半導體的GaNFast系列晶片出貨量已突破3,000萬顆。

GaN的「上車」歷程比較艱難,目前GaN功率元件只在消費電子領域獲得了批量商用。儘管TI、GaN Systems、安世半導體等廠商已經陸續推出車規級GaN元件,並與整車企業展開了深入合作,但預估近幾年內GaN只會小批量滲透到車載OBC/DC-DC中。

此外,因為GaN能讓光達(Lidar)「看」得更遠,獲取影像的速度更快、更清晰。國外有很多光達廠與GaN供應商已達成合作:Velodyne與EPC合作提升了固態光達的解析度,Velodyne的固態光達使用了GaN場效應電晶體,比傳統電晶體開關速度快10倍以上,讓脈衝寬度達到了1~5奈秒。而英諾賽科與禾賽科技等光達廠商正展開合作。不過,GaN在光達上的應用,與已經起量的消費電子相比,還需要進一步深化。

小結

最後,可以肯定的是,終端應用需求的激增會推動SiC、GaN晶圓尺寸往8吋升級。如文所述,現在SiC及GaN晶圓主要被限制在4~6吋,相信領先供應商在8吋晶圓方面的發力,將帶動8吋寬能隙功率半導體晶圓產能的增加。未來幾年內,SiC、GaN晶圓尺寸往8吋方向發展的趨勢將持續存在。

本文原刊登於國際電子商情網站

 

 

 

 

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