當(dāng)下，低碳化和數(shù)字化齊頭并進(jìn)的發(fā)展，帶來了萬物互聯(lián)、能源效率、未來出行等多重變革。而在這個突飛猛進(jìn)的過程中，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，誰的市場前景更大呢？
碳化硅和氮化鎵：在不同引擎驅(qū)動下前進(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，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)用于電動汽車、光伏儲能領(lǐng)域。
但兩者也有各自的優(yōu)勢，比如碳化硅在導(dǎo)熱率上更具優(yōu)勢，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。針對這一問題，化合物半導(dǎo)體市場與業(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。
國星光電直言，碳化硅與氮化鎵雖有競爭，卻各有側(cè)重。據(jù)介紹，碳化硅更側(cè)重于高壓應(yīng)用，尤其是在電動汽車電池800V電壓平臺技術(shù)，SiC的高壓工作特性會更具有應(yīng)用優(yōu)勢；GaN則更側(cè)重高頻應(yīng)用，在OBC、DCDC、儲能電源系統(tǒng)等應(yīng)用中可以實現(xiàn)降低體積與重量，提升效率。
但未來，隨著GaN耐壓能力的進(jìn)一步提升，其可承受1200V超高電壓，并具備更高性價比時，在新能源市場的應(yīng)用優(yōu)勢將越發(fā)明顯。而SiC憑借其固有的優(yōu)勢，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功率器件既擁有類似SiC在寬禁帶材料方面的性能優(yōu)勢，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。隨著新能源汽車市場的爆發(fā)式增長，未來在新能源汽車市場，GaN也將擁有自己的一席之地。
芯塔電子也指出了GaN在新能源汽車領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。據(jù)悉，由于車規(guī)級認(rèn)證過程較慢，對器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時面臨硅器件和SiC器件的競爭，因此只有GaN做得足夠好，成本足夠低，才可以有較強(qiáng)的競爭力，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)計要到2025年后才有可能在電動車上進(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關(guān)電源的功耗并實現(xiàn)小型化而被寄予厚望；而在汽車行業(yè)，GaN器件則可應(yīng)用于車載OBC，48V DC/DC轉(zhuǎn)換器。
圖源：羅姆
總體而言，碳化硅和氮化鎵在應(yīng)用上的競爭領(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、開關(guān)以及充電器等。
從市場空間上而言，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的市場規(guī)模又高于GaN。根據(jù)TrendForce集邦咨詢旗下化合物半導(dǎo)體研究處最新報告《2023 SiC功率半導(dǎo)體市場分析報告-Part1》分析，2023年整體SiC功率元件市場規(guī)模達(dá)22.8億美元，年成長41.4%，至2026年SiC功率元件市場規(guī)模可望達(dá)53.3億美元。
碳化硅的成長沃土：新能源汽車
根據(jù)乘聯(lián)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，2022年全年，國內(nèi)新能源汽車零售567.4萬輛，同比增長90%；而零售量的高速增長也帶動了新能源汽車滲透率的持續(xù)提升，達(dá)27.6%，較2021年提升超12個百分點。
但目前新能源汽車的發(fā)展仍受續(xù)駛里程、充電時間和電池容量的制約，是產(chǎn)業(yè)界亟待解決的重要問題。碳化硅可滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，進(jìn)而解決新能源汽車的里程焦慮和充電焦慮，而汽車功率半導(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。但車規(guī)級對產(chǎn)品要求較高，且目前國際企業(yè)和國內(nèi)企業(yè)正處于發(fā)展的不同階段。
國星光電認(rèn)為，國際龍頭廠商在半導(dǎo)體行業(yè)具有技術(shù)積累優(yōu)勢，國產(chǎn)SiC要實現(xiàn)突圍，需要實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)及應(yīng)用，預(yù)測3-5年內(nèi)國內(nèi)廠商有望追趕上國際廠商的技術(shù)水平，以支撐規(guī)?；?。
據(jù)悉，目前國星光電已面向光伏、儲能、消費類電源、工業(yè)電源、電網(wǎng)、新能源汽車及充電樁等領(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，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)要依靠整個國內(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爭。
具體到汽車市場，芯塔電子表示，國內(nèi)多家碳化硅廠家都計劃在近兩年向市場提供碳化硅MOSFET，行業(yè)整體工藝能力有所提升，國內(nèi)碳化硅行業(yè)的整體競爭力將不斷提升，與國際大廠的差距在縮小，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，隨著電動汽車市場的持續(xù)增長，800V高壓平臺車型及高壓快充網(wǎng)絡(luò)正在加速布局，這對碳化硅企業(yè)提出了更高的挑戰(zhàn)；另一方面，2023年國際宏觀經(jīng)濟(jì)和政治形勢波動帶來的全球經(jīng)濟(jì)不確定性風(fēng)險加劇，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)客戶資源，SiC MOSFET已成功導(dǎo)入新能源汽車、光伏、儲能、充電樁、高端電源等領(lǐng)域多家頭部客戶。此外，其車規(guī)級碳化硅模塊產(chǎn)業(yè)已經(jīng)完成落地，計劃將于2023年底完成通線。
泰科天潤指出，目前國外友商車規(guī)級SiC產(chǎn)品交期嚴(yán)峻，且SIC MOSFET良率不高。國際友商優(yōu)先交付大客戶訂單而導(dǎo)致國內(nèi)下游供應(yīng)不足，疊加復(fù)雜的國際形勢，導(dǎo)致國產(chǎn)化替代的加速，早期對國內(nèi)廠商持觀望態(tài)度的國外友商以及本土客戶也開始持開放態(tài)度，與國內(nèi)原廠交流。在此背景下，國內(nèi)企業(yè)要注重提高性價比、提升核心競爭力、批量生產(chǎn)良率穩(wěn)定的產(chǎn)品。
目前泰科天潤已有多款型號產(chǎn)品在汽車電子行業(yè)應(yīng)用于OBC、DCDC等車載類電源中，后續(xù)6英寸以及正在動工的8英寸線也會朝汽車市場布局，豐富碳化硅MOSFET系列。據(jù)悉，公司預(yù)計在2023年針對650V/1200V/1700V SiC MOS 陸續(xù)推出各個型號的產(chǎn)品。
此外，基本半導(dǎo)體車規(guī)級碳化硅芯片產(chǎn)線于4月24日正式通線；芯粵能碳化硅芯片制造項目預(yù)計在今年下半年進(jìn)入量產(chǎn)環(huán)節(jié)；智新半導(dǎo)體二期產(chǎn)線在5月18日正式開工；比亞迪半導(dǎo)、斯達(dá)半導(dǎo)、時代電氣以及士蘭微等企業(yè)的IGBT模塊和芯片已開始上車，國產(chǎn)碳化硅廠商進(jìn)入汽車應(yīng)用有了先行樣本。
國際方面，羅姆于2010年量產(chǎn)SiC MOSFET。在車載領(lǐng)域，羅姆于2012年推出支持AEC-Q101認(rèn)證的車載品，并在車載充電器（OBC）領(lǐng)域擁有很高的市場份額。此外，羅姆碳化硅產(chǎn)品還應(yīng)用于車載DC/DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。
2018年，羅姆在德國杜塞爾夫開設(shè)了“Power Lab”，幫助眾多汽車和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域廠商提高其設(shè)計效率；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間的前提下，成功實現(xiàn)業(yè)界超高水平的低導(dǎo)通電阻。
羅姆還與多個公司聯(lián)合發(fā)展車規(guī)級SiC技術(shù)，比如與北汽新能源、聯(lián)合汽車電子、臻驅(qū)科技分別建立碳化硅聯(lián)合實驗室；與緯湃科技就電動汽車電力電子技術(shù)簽署開發(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?？?；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)碳化硅汽車芯片市場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)體已與二十家車企達(dá)成合作，其中中國市場的下游客戶包括比亞迪、吉利、長城、現(xiàn)代、小鵬等整車廠，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，在未來自有其星辰大海，也有機(jī)會誕生更多百億甚至千億市值的公司；但氮化鎵也不遑多讓，在汽車、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景發(fā)光發(fā)熱；而盡管市場空間有大小，但碳化硅及氮化鎵均是當(dāng)下炙手可熱的新材料，為多項新技術(shù)賦能。
孫子兵法中寫道，寧可備而不戰(zhàn)，不可無備而戰(zhàn)——因此，不管專注于碳化硅亦或是氮化鎵，在市場爆發(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：集邦化合物半導(dǎo)體 Winter）
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