SiC與GaN，誰(shuí)擁有更廣闊的星辰大海？

當(dāng)下，低碳化和數(shù)字化齊頭并進(jìn)的發(fā)展，帶來(lái)了萬(wàn)物互聯(lián)、能源效率、未來(lái)出行等多重變革。而在這個(gè)突飛猛進(jìn)的過(guò)程中，第三代半導(dǎo)體則發(fā)揮著重要作用。

同屬第三代半導(dǎo)體，碳化硅和氮化鎵近年來(lái)不斷發(fā)光發(fā)熱，成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的“流量明星”。那么，這兩種材料，誰(shuí)的市場(chǎng)前景更大呢？

碳化硅和氮化鎵：在不同引擎驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)

碳化硅和氮化鎵都具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)，這就決定了碳化硅與氮化鎵有部分重疊的應(yīng)用領(lǐng)域，雙方均可應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域。

但兩者也有各自的優(yōu)勢(shì)，比如碳化硅在導(dǎo)熱率上更具優(yōu)勢(shì)，而氮化鎵則具備更高的電子遷移率，因此碳化硅與氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域必定有所區(qū)別。針對(duì)這一問(wèn)題，化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)與業(yè)內(nèi)多家企業(yè)進(jìn)行深入溝通，了解不同企業(yè)的看法與布局。

國(guó)星光電直言，碳化硅與氮化鎵雖有競(jìng)爭(zhēng)，卻各有側(cè)重。據(jù)介紹，碳化硅更側(cè)重于高壓應(yīng)用，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)電池800V電壓平臺(tái)技術(shù)，SiC的高壓工作特性會(huì)更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；GaN則更側(cè)重高頻應(yīng)用，在OBC、DCDC、儲(chǔ)能電源系統(tǒng)等應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)降低體積與重量，提升效率。

但未來(lái)，隨著GaN耐壓能力的進(jìn)一步提升，其可承受1200V超高電壓，并具備更高性?xún)r(jià)比時(shí)，在新能源市場(chǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將越發(fā)明顯。而SiC憑借其固有的優(yōu)勢(shì)，將往更高耐壓的技術(shù)路徑深入發(fā)展，在超高壓電網(wǎng)等領(lǐng)域得以施展拳腳。

芯塔電子則指出，GaN功率器件既擁有類(lèi)似SiC在寬禁帶材料方面的性能優(yōu)勢(shì)，也擁有更強(qiáng)的成本控制潛力。與傳統(tǒng)硅材料相比，基于GaN材料制備的功率器件擁有更高的功率輸出密度和更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，可有效降低電力電子裝置的體積和重量。隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，未來(lái)在新能源汽車(chē)市場(chǎng)，GaN也將擁有自己的一席之地。

芯塔電子也指出了GaN在新能源汽車(chē)領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。據(jù)悉，由于車(chē)規(guī)級(jí)認(rèn)證過(guò)程較慢，對(duì)器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時(shí)面臨硅器件和SiC器件的競(jìng)爭(zhēng)，因此只有GaN做得足夠好，成本足夠低，才可以有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，否則難以進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用和普及。此外，由于硅基GaN功率器件的工作電壓較低，而耐高壓的SiC基GaN功率器件又比較貴，GaN功率器件預(yù)計(jì)要到2025年后才有可能在電動(dòng)車(chē)上進(jìn)行部署。

羅姆指出，GaN和SiC均在功率器件的應(yīng)用中存在巨大潛力。其中，GaN器件作為高頻工作中出色的器件，在中等耐壓范圍的應(yīng)用中備受期待。近日，羅姆開(kāi)始量產(chǎn)具有業(yè)界超高性能的650V耐壓GaN HEMT，非常適用于服務(wù)器和AC適配器等各種電源系統(tǒng)的效率提升和小型化。

據(jù)介紹，與SiC相比，GaN具有出色的高速開(kāi)關(guān)特性，因而在基站和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域中，GaN器件由于可以降低各種開(kāi)關(guān)電源的功耗并實(shí)現(xiàn)小型化而被寄予厚望；而在汽車(chē)行業(yè)，GaN器件則可應(yīng)用于車(chē)載OBC，48V DC/DC轉(zhuǎn)換器。

總體而言，碳化硅和氮化鎵在應(yīng)用上的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域以耐受電壓600V-900V為界，高于此區(qū)間以碳化硅為主，比如高鐵、輸變電、新能源汽車(chē)以及工業(yè)控制等；而低于此區(qū)間則以氮化鎵的應(yīng)用潛力更大，比如微波射頻、開(kāi)關(guān)以及充電器等。

從市場(chǎng)空間上而言，由于成本及技術(shù)原因，目前硅基半導(dǎo)體材料仍然是市場(chǎng)的主流，而碳化硅與氮化鎵器件的滲透率仍有較大提升空間。

其中，SiC的市場(chǎng)規(guī)模又高于GaN。根據(jù)TrendForce集邦咨詢(xún)旗下化合物半導(dǎo)體研究處最新報(bào)告《2023 SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)分析報(bào)告-Part1》分析，2023年整體SiC功率元件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)22.8億美元，年成長(zhǎng)41.4%，至2026年SiC功率元件市場(chǎng)規(guī)?？赏_(dá)53.3億美元。

碳化硅的成長(zhǎng)沃土：新能源汽車(chē)

根據(jù)乘聯(lián)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2022年全年，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)零售567.4萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)90%；而零售量的高速增長(zhǎng)也帶動(dòng)了新能源汽車(chē)滲透率的持續(xù)提升，達(dá)27.6%，較2021年提升超12個(gè)百分點(diǎn)。

但目前新能源汽車(chē)的發(fā)展仍受續(xù)駛里程、充電時(shí)間和電池容量的制約，是產(chǎn)業(yè)界亟待解決的重要問(wèn)題。碳化硅可滿(mǎn)足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，進(jìn)而解決新能源汽車(chē)的里程焦慮和充電焦慮，而汽車(chē)功率半導(dǎo)體也成為當(dāng)下碳化硅發(fā)揮作用最大的領(lǐng)域，也是該材料最大的下游應(yīng)用市場(chǎng)。但車(chē)規(guī)級(jí)對(duì)產(chǎn)品要求較高，且目前國(guó)際企業(yè)和國(guó)內(nèi)企業(yè)正處于發(fā)展的不同階段。

國(guó)星光電認(rèn)為，國(guó)際龍頭廠(chǎng)商在半導(dǎo)體行業(yè)具有技術(shù)積累優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)SiC要實(shí)現(xiàn)突圍，需要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)及應(yīng)用，預(yù)測(cè)3-5年內(nèi)國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商有望追趕上國(guó)際廠(chǎng)商的技術(shù)水平，以支撐規(guī)?；?。

據(jù)悉，目前國(guó)星光電已面向光伏、儲(chǔ)能、消費(fèi)類(lèi)電源、工業(yè)電源、電網(wǎng)、新能源汽車(chē)及充電樁等領(lǐng)域推出多款SiC產(chǎn)品，包括有TO-247-2封裝的SiC SBD、TO-247-3/4封裝的SiC MOSFET分立器件；NS62m、NSEAS系列封裝的SiC MOSFET功率模塊。

芯塔電子指出，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈都在積極擴(kuò)產(chǎn)，但產(chǎn)能還未真正大規(guī)模釋放，產(chǎn)能等方面與海外巨頭還有差距，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)要依靠整個(gè)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的合作與深度協(xié)同，才能更好的與海外巨頭競(jìng)爭(zhēng)。

具體到汽車(chē)市場(chǎng)，芯塔電子表示，國(guó)內(nèi)多家碳化硅廠(chǎng)家都計(jì)劃在近兩年向市場(chǎng)提供碳化硅MOSFET，行業(yè)整體工藝能力有所提升，國(guó)內(nèi)碳化硅行業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力將不斷提升，與國(guó)際大廠(chǎng)的差距在縮小，這是利好。

但芯塔電子也指出，當(dāng)下碳化硅的發(fā)展也存在較大挑戰(zhàn)。一方面，隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，800V高壓平臺(tái)車(chē)型及高壓快充網(wǎng)絡(luò)正在加速布局，這對(duì)碳化硅企業(yè)提出了更高的挑戰(zhàn)；另一方面，2023年國(guó)際宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)和政治形勢(shì)波動(dòng)帶來(lái)的全球經(jīng)濟(jì)不確定性風(fēng)險(xiǎn)加劇，而供應(yīng)鏈安全關(guān)系到產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，這是整個(gè)產(chǎn)業(yè)面臨的壓力和挑戰(zhàn)。

芯塔電子目前已在光伏、工業(yè)電源等領(lǐng)域積累數(shù)百家優(yōu)質(zhì)客戶(hù)資源，SiC MOSFET已成功導(dǎo)入新能源汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能、充電樁、高端電源等領(lǐng)域多家頭部客戶(hù)。此外，其車(chē)規(guī)級(jí)碳化硅模塊產(chǎn)業(yè)已經(jīng)完成落地，計(jì)劃將于2023年底完成通線(xiàn)。

泰科天潤(rùn)指出，目前國(guó)外友商車(chē)規(guī)級(jí)SiC產(chǎn)品交期嚴(yán)峻，且SIC MOSFET良率不高。國(guó)際友商優(yōu)先交付大客戶(hù)訂單而導(dǎo)致國(guó)內(nèi)下游供應(yīng)不足，疊加復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)化替代的加速，早期對(duì)國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商持觀(guān)望態(tài)度的國(guó)外友商以及本土客戶(hù)也開(kāi)始持開(kāi)放態(tài)度，與國(guó)內(nèi)原廠(chǎng)交流。在此背景下，國(guó)內(nèi)企業(yè)要注重提高性?xún)r(jià)比、提升核心競(jìng)爭(zhēng)力、批量生產(chǎn)良率穩(wěn)定的產(chǎn)品。

目前泰科天潤(rùn)已有多款型號(hào)產(chǎn)品在汽車(chē)電子行業(yè)應(yīng)用于OBC、DCDC等車(chē)載類(lèi)電源中，后續(xù)6英寸以及正在動(dòng)工的8英寸線(xiàn)也會(huì)朝汽車(chē)市場(chǎng)布局，豐富碳化硅MOSFET系列。據(jù)悉，公司預(yù)計(jì)在2023年針對(duì)650V/1200V/1700V SiC MOS 陸續(xù)推出各個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品。

此外，基本半導(dǎo)體車(chē)規(guī)級(jí)碳化硅芯片產(chǎn)線(xiàn)于4月24日正式通線(xiàn)；芯粵能碳化硅芯片制造項(xiàng)目預(yù)計(jì)在今年下半年進(jìn)入量產(chǎn)環(huán)節(jié)；智新半導(dǎo)體二期產(chǎn)線(xiàn)在5月18日正式開(kāi)工；比亞迪半導(dǎo)、斯達(dá)半導(dǎo)、時(shí)代電氣以及士蘭微等企業(yè)的IGBT模塊和芯片已開(kāi)始上車(chē)，國(guó)產(chǎn)碳化硅廠(chǎng)商進(jìn)入汽車(chē)應(yīng)用有了先行樣本。

國(guó)際方面，羅姆于2010年量產(chǎn)SiC MOSFET。在車(chē)載領(lǐng)域，羅姆于2012年推出支持AEC-Q101認(rèn)證的車(chē)載品，并在車(chē)載充電器（OBC）領(lǐng)域擁有很高的市場(chǎng)份額。此外，羅姆碳化硅產(chǎn)品還應(yīng)用于車(chē)載DC/DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。

2018年，羅姆在德國(guó)杜塞爾夫開(kāi)設(shè)了“Power Lab”，幫助眾多汽車(chē)和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域廠(chǎng)商提高其設(shè)計(jì)效率；2020年6月，羅姆發(fā)布了業(yè)界先進(jìn)的第4代低導(dǎo)通阻抗碳化硅MOSFET，在不犧牲短路耐受時(shí)間的前提下，成功實(shí)現(xiàn)業(yè)界超高水平的低導(dǎo)通電阻。

羅姆還與多個(gè)公司聯(lián)合發(fā)展車(chē)規(guī)級(jí)SiC技術(shù)，比如與北汽新能源、聯(lián)合汽車(chē)電子、臻驅(qū)科技分別建立碳化硅聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；與緯湃科技就電動(dòng)汽車(chē)電力電子技術(shù)簽署開(kāi)發(fā)合作協(xié)議，并成為其碳化硅技術(shù)的首選供應(yīng)商；與吉利簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，締結(jié)以碳化硅為核心的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系；與正海集團(tuán)成立碳化硅功率模塊合資公司海姆希科；被UAES(聯(lián)合電子)公司認(rèn)證為碳化硅功率器件解決方案的首選供應(yīng)商，產(chǎn)品用于逆變器。

此外，Wolfspeed已與奔馳、捷豹路虎、通用汽車(chē)等達(dá)成了戰(zhàn)略合作協(xié)議；安森美正考慮投資20億美元提高碳化硅芯片的產(chǎn)量，目標(biāo)是到2027年占據(jù)碳化硅汽車(chē)芯片市場(chǎng)40%的份額；英飛凌與Stellantis簽署了一份非約束性諒解備忘錄，為其提供為期多年的碳化硅半導(dǎo)體供應(yīng)服務(wù)；意法半導(dǎo)體已與二十家車(chē)企達(dá)成合作，其中中國(guó)市場(chǎng)的下游客戶(hù)包括比亞迪、吉利、長(zhǎng)城、現(xiàn)代、小鵬等整車(chē)廠(chǎng)，以及華為、匯川技術(shù)、欣銳科技等供應(yīng)商……

總結(jié)

碳化硅材料具有獨(dú)特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能，在未來(lái)自有其星辰大海，也有機(jī)會(huì)誕生更多百億甚至千億市值的公司；但氮化鎵也不遑多讓?zhuān)谄?chē)、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景十分廣闊。

總體而言，材料特性決定應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅及氮化鎵將在不同場(chǎng)景發(fā)光發(fā)熱；而盡管市場(chǎng)空間有大小，但碳化硅及氮化鎵均是當(dāng)下炙手可熱的新材料，為多項(xiàng)新技術(shù)賦能。

孫子兵法中寫(xiě)道，寧可備而不戰(zhàn)，不可無(wú)備而戰(zhàn)——因此，不管專(zhuān)注于碳化硅亦或是氮化鎵，在市場(chǎng)爆發(fā)的當(dāng)下，處于產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的企業(yè)都需要有足夠的信心和耐心，積極擴(kuò)充產(chǎn)能、提升技術(shù)，以獲得更高的性能、更多的單位產(chǎn)出以及更低的成本。（文：化合物半導(dǎo)體市場(chǎng) Winter）