业内警惕化合物半导体投资热潮 未来5年将步入整合期

  随着新能源汽车、5G通讯、光伏储能等市场发展,SiC/GaN等宽禁带半导体材料凭借其特殊的性能,以及在“双碳”背景下低功耗需求日盛,让化合物半导体备受资本追捧。在日前集邦咨询化合物半导体新应用前瞻分析会上,与会专家从器件到衬底、外延以及设备等环节,讨论了化合物半导体最新发展趋势以及降低成本、推广应用的解决方案,也表达了对当前投资热潮和产业分散的谨慎,预计未来5年在资本助力下将推动产业从“游击队”向“集团军”整合。

  SiC功率器件将占据六成市场规模 

  对于国内第三代半导体产业发展,北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波教授指出,全产业链已基本形成, 比较完整,但高端产品(特别是电子器件领域)差距较大,部分高端产品还是空白。国内应致力于从实现“有无” 到解决“能用”和“卡脖子” 问题,实现第三代半导体全产业链能力和水平提升,整体国际同步,局部实现超越。

  就整个行业的发展趋势,集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄指出,SiC正在加速垂直整合,而GaN则形成IDM模式与垂直分工并存的局面。龚瑞骄还讲述了SiC衬底在整个产业中的重要性,国际功率大厂都在向上延伸渗透进材料端,取得SiC衬底资源是进入下一代电动车功率器件的入场门票。从形势来看,SiC功率器件市场过去由供电应用推动,直到2018年首次应用于特斯拉主逆变器后,汽车逐渐成为其杀手级的应用领域。

  根据Trendforce集邦咨询预测,随着汽车平台高压化趋势愈演愈烈,预估2025年电动车市场对6英寸SiC晶圆需求将达169万片。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,年复合增长率将达38%,其中新能源汽车的主逆变器、OBC(车载充电器)、DC-DC(电源模块)将成为主要驱动力,或在2025年占据62%的市场份额。

  作为全球SiC衬底市场龙头,Wolfspeed拥有垂直一体化的布局,推进多个产业从Si到SiC转型。本次会议中,Wolfspeed华南区销售总监柯鸿彬介绍了汽车系统中SiC技术的优异表现。Wolfspeed在美国纽约州Marcy的Mohawk Valley Fab工厂是目前全球最大的SiC制造工厂,实现200mm制程,预计将于2022年初投入使用。

  另外,ROHM(罗姆)作为SiC功率元器件的领军企业,从2010年开始量产SiC MOSFET,2012年开始供应符合AEC-Q101标准的车载级产品,如今已与国内外汽车企业深度合作。ROHM第四代SiC-MOSFET实现了业界顶级的低导通电阻和高短路耐量,并计划在2025年取得全球30%市场份额。

  从设备端来看,MOCVD设备是化合物半导体外延材料研究和生产的关键设备,AIXTRON (爱思强)是全球领先的MOCVD设备供应商,爱思强副总经理方子文介绍,SiC在越来越多的汽车应用逐渐获得认可,而GaN正加速渗透进消费市场;其MOCVD已经实现了业内单腔最大片数(8 x 6英寸)及最大产能,提供了灵活的6英寸和4英寸配置,助力压缩成本,明年爱思强也将会在市场推出8英寸设备。

  国内厂商奋起直追

  相比国际厂商,国内厂商也在奋起直追,传统LED厂商凭借对材料领域的技术掌握也在积极布局在GaN/SiC等化合物半导体领域。

  华灿光电作为国内LED芯片头部企业,公司从2020年开始进入GaN电力电子器件领域,产品主要面向移动消费电子终端快速充电器、其他电源设备,云计算大数据服务器中心、通信及汽车应用等领域。目前GaN 电力电子器件外延片已达到国内先进水平,芯片相关工艺完成阶段性开发,6英寸硅基GaN电力电子器件工艺已通线,100mm栅宽D-Mode器件静态参数已达国际标准。

  公司副总裁王江波指出,GaN材料成为紫外、蓝光、绿光LED和激光器等光电器件实现的基础,广泛应用于照明,显示,通信,医疗等多个领域。华灿光电预计2022年底推出650V cascode产品,2023年具备批量生产和代工能力。

  LED芯片龙头三安光电也在布局SiC、GaN等化合物半导体。三安集成电路销售总监张翎介绍,三安在湖南长沙建成了目前国内唯一的一条SiC全产业链,从长晶到晶体的生产,再到外延、芯片研发和封测,实现全产业链布局,今年6月公司已经开始量产,后续还会致力于光伏、新能源汽车的OBC、DCDC,以及汽车的主驱等市场。

  英诺赛科作为国内GaN功率器件的领军企业,已建成中国首条8英寸硅基氮化镓外延与芯片大规模量产生产线。本次会议中,英诺赛科高级经理贺鹏介绍了在碳达峰、碳中和为背景下,GaN功率器件在聚焦智慧照明、电机驱动、数据中心等领域的优势和潜力。同时,对GaN在当前应用中的问题和挑战进行了分析,概述了对应的解决方案及方向。

  即便在传统薄弱的衬底环节,国内厂商在强化布局。晶能光电在全球率先实现硅衬底GaN技术在LED领域的产业化和市场应用。

  本次会议中,晶能光电外延研发经理郭啸介绍:“晶能光电在做InGaN基的红光,目前在650纳米以下的前提下,我们的普通尺寸的InGaN基的红光的外量子效率是3.5%,在国际上是处于第一梯队的。”据介绍,晶能光电硅衬底Mini LED 超高清显示屏应用进展和正在开发中的TFFC芯片P0.6—P0.3间距解决方案,以及硅衬底垂直结构Mini LED产品量产规划。他指出,相比成熟的OLED技术,Micro LED显示技术的开发和产业化还存在很多的困难,其中红光LED是Micro LED技术的重大瓶颈之一,开发高效的氮化镓基红光Micro LED成为当务之急。

  另外,在外延材料方面,晶湛半导体是专门提供 GaN 外延解决方案的外延代工厂,生产的GaN外延片产品涵盖了200V-1200V功率应用,可提供耗尽型与增强型两种结构,并已进行了完备的外延相关专利布局。随着SiC器件的推陈出新,驱动技术的研究对于新型半导体器件的应用有着重要意义。青铜剑技术市场经理张行方介绍了SiC与Si器件的差异,相比于Si器件,SiC器件拥有更快的开关速率、更高的dv/dt、更低的开通阈值以及更差的门极负压耐受能力。

  未来五年将步入整合期

  化合物半导体的投资热潮也引发业内学者专家警惕。 深圳大学半导体制造研究院院长王序进指出,硅基半导体已经有上千亿美元的市场体量,化合物半导体未来市场规模约是前者十分之一。据统计国内碳化硅项目有100多个,小市场投这么多钱,而碳化硅晶圆从长晶、切片、研磨到外延,它耗时长,缺陷多,生产良率还非常低,投资要三思而行。相比而言,全球半导体行业已经过几十年的整合,海外都是“集团军”模式,中国遍地是“游击队”,如果要实现赶超,需要资本把“游击队”整合起来,未来五年将是整合期。

  另一方面,国内在车规级碳化硅项目处于空白状态。王序进指出,车规级相比消费级、工业级,产品对可靠性、安全性要求更高,认证时间长;现在存在芯片荒,这个领域的车规级芯片国产化存在替代空间。

  高瓴资本运营合伙人吕东风也指出,功率半导体市场200多亿的市场规模,未来SiC和GaN肯定会占据现在IGBT所在的高端市场,甚至可能占比一半市场,但市场前景虽好,其技术还在演进中,从6英寸向8英寸转变后,成本下降的速度可能会超过预期,中国企业在成本上达到国际领先水平较难,需关注其中的风险。机会不一定在上游半导体,反而可能在模组厂,因为模组厂更接近客户。

  邑文科技副总经理叶国光也指出,目前投资化合物半导体产业主要来源自LED企业和本身来自芯片企业背景的公司,整体来看,人才背景多元化,技术基础深厚,未来成功几率会比较高。

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