SiC/GaN前沿趋势大论剑！这场会议干货来了

随着全球宏观环境的逐步恢复，SiC/GaN等第三代半导体产业于2023年迈向新的发展高峰，持续搅动新能源汽车、光伏储能、工业电源、通讯基站等高压高功率应用领域的一池春水。
 
值此之际，TrendForce集邦咨询于6月15日在在深圳福田JW万豪酒店成功举办“2023集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会”，汇聚了海内外第三代半导体先进企业代表，以及科研院校和媒体界的众多菁英，共同探讨第三代半导体产业的现状，展望未来。现场座无虚席，与会者热情高涨，映射了第三代半导体领域的繁荣景象。
   
会议伊始，集邦咨询总经理樊晓莉女士发表致辞，她向所有参会嘉宾及线上的听众表示诚挚的欢迎和衷心的感谢，并表达了对的第三代半导体产业发展的美好祝愿。随后，第三代半导体领域的行业专家与集邦咨询分析师相继发表精彩演讲，演讲精华汇总如下。
 
北京大学
 
以GaN、SiC为代表的第三代半导体有许多不可替代的优异性质，应用领域广泛，是国家重大需求和国际高科技产业竞争的关键领域之一，正处于产业化的关键窗口期，因此受到了学术界、产业界、中央和地方政府，甚至金融投资界的高度重视。
 
第三代半导体材料和器件在光电子、射频电子和功率电子领域有着丰富的应用场景，且有其不可替代性。
 
我国在上述三个领域均建立了较为完整的研发和产业体系，半导体照明产业规模已居世界第一，但整体上第三代半导体技术与国际顶尖水平还有3-5年的差距。
 
可喜的是，国内第三代半导体产业在研发与产业两个领域皆有了实质性的突破。其中，科研机构领域已具备全创新链研发能力，而第三代半导体全产业链也已基本形成, 布局比较完整。并且，科研院校与企业之间的合作也更加紧密了，未来有望加速研发成果的转化。
 
北京大学多年来在GaN基第三代半导体领域已经取得了重要的成果，并在开始实现产业应用。近年来在Si衬底上GaN材料外延和功率电子器件研制上取得了在国内外有一定影响的成果，正在全力推进产业化应用。
   
华灿光电
 
在手机、计算机的带动下，GaN快充市场发挥出巨大的市场营销能力，尤其以65W-100W为主流。2023年，随着更多厂商的积极投入，GaN的市场关注度进一步提高，带动了3C电源、数据中心、电动汽车、光伏储能等相关厂家的验证使用。
 
然而，GaN目前也处于发展的萌芽期，仍面临同质衬底生长、可靠性不佳等技术问题，限制了生产良率和商用化发展。其中，GaN器件特性由外延结构决定，器件的可靠性则与材料质量紧密相关。目前，GaN衬底仍在开发中，市场上尚未有成熟的GaN衬底，只能使用硅和蓝宝石等异质接面衬底，而这些导致了GaN器件特性不佳。
 
自2020年进入GaN电力电子领域以来，华灿光电依托其在LED芯片在GaN材料和器件领域的积累，积极展开技术研究与产品开发。在自有外延方面，华灿光电于2022年启动了6英寸蓝宝石衬底研发，初步完成650V GaN-on-Si for D-mode＆E-mode的外延片研发和流片。在器件方面，完成了650V GaN产品的小批量出样和测试，650V GaN HEMT和demo board出样。
 
按照计划，华灿光电的GaN产品将逐步从650V向900V，再到1200V的路径发展，并会规划低压产品以扩充产品线。
   
英诺赛科
 
功率半导体是能源电子的核心支撑，随着终端应用要求的升级，功率半导体技术持续迭代，更多先进的材料逐渐崛起。其中，GaN在经过多年的技术积累和市场验证后，性能、成本、供应、应用生态及可靠性等各方面的优势开始显现，可以说，属于GaN的时代来了。
 
近年来，GaN已经开始从低功率消费电子市场转向高功率数据中心、光伏逆变器、汽车、通信电源等市场，这些应用对功率密度、能效、开关频率、热管理、可靠性及尺寸等都提出了更高的要求，而GaN因具备宽禁带、高频率、低损耗、抗辐射强等优势，正好满足了各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求。
 
面对前景广阔的功率应用市场以及愈加激烈的市场竞争，GaN厂商在产品性能和产能供应方面的竞争力尤其关键。英诺赛科作为全球少数拥有完整产业链的GaN IDM企业，在核心技术创新、产能供应稳定及规模成本方面有着独特的优势，已在消费电子、光伏储能、汽车、数据中心等领域取得开创性的成果。目前，英诺赛科的InnoGaN氮化镓功率器件已覆盖高压、低压等全电压范围，GaN芯片出货量已超1.7亿颗。
   
纳设智能
 
外延生长是碳化硅器件制造的核心环节，其外延质量和缺陷率将直接影响着器件的性能和良率，碳化硅外延生产成本约占碳化硅器件总体成本的23%。因此，外延设备及其制备技术起到了关键的作用。
 
现阶段，碳化硅外延层的制备方法主要以化学气相沉积（CVD）为主，其中，CVD法具有可以精确控制外延膜厚度和掺杂浓度、缺陷较少、生长速度适中、过程可自动控制等优点，是目前已经成功商业化的碳化硅外延技术。
 
目前，碳化硅本土产业化时代已经到来，快速发展的下游应用极剧拉动了产业的发展，其中，纳设智能开发了中国首台完全自主创新的碳化硅外延CVD设备，具备工艺可调性高、耗材成本低、维护频率低等优点，助力了碳化硅关键设备的本土化发展。自2021年第一台设备出厂，截至目前，纳设智能已与10+客户签署销售合同，已获150+台订单。
   
国星光电
 
SIP（系统级封装）技术是通过将多个裸片及无源器件整合在单个封装体内的集成电路封装技术。在后摩尔时代，SIP技术可以帮助芯片成品增加集成度、减小体积并降低功耗，应用市场广泛覆盖消费电子、无线电子、汽车电子、医疗电子、云计算及工业控制等。
 
GaN的本质是一个开关管，实现特定的功能离不开对GaN开关管的控制，而控制行为在电路中属于逻辑部分，将逻辑电路和功率电路进行合封是一个很高难度的挑战。基于SIP封装的GaN解决方案能够助力LED驱动电源在性能和成本上进一步升级。
 
面向LED应用下游，GaN正在掀起LED驱动电源领域的新浪潮。在此背景下，国星光电旨在做一颗具备特定功能的GaN开关器件，帮助简化开关电路。
 
目前，公司已开发出多款基于SIP封装的GaN-IC产品，并配套开发出相应的GaN驱动方案，可在LED照明驱动电源、LED显示器驱动电源、墙体插座快充、移动排插快充等领域得以应用。依托成熟且强有力的研发团队，未来公司GaN产品将在SIP封装这条路上走得更远，助推LED驱动电源行业的升级。
   
天科合达
 
在双碳建设驱动的能源革命大潮下，新能源汽车、光伏储能等市场呈现大幅成长的趋势。在绿色生态链中，SiC发挥着重要作用，也面临着更为严苛的要求。
 
其中，SiC衬底作为价值最重、工艺难度和门槛最高的环节，面临着较大的挑战。就成本来说，衬底成本占据整个产品制作的50%左右，也因此，8英寸衬底因有效利用率高，有助于产业链实现降本增效的目标，已成为SiC领域的“兵家必争之地”。
 
近年来，8英寸衬底产业进入发展快车道，国际器件厂均有重要布局。而我国在SiC领域推出了许多扶植政策，进一步推动了国产半导体产业的自立自强，SiC产业链也因此受益。在此背景下，国内已有约10家企业在8英寸衬底领域取得了突破性进展，如天科合达。
 
天科合达于2022年成功对外发布了8英寸衬底，目前各项指标均处于行业领先水平，目前产品已实现了小批量供货。产业布局上，天科合达的业务已涵盖SiC单晶生长设备制造、SiC原料合成、衬底制备和外延生长。未来，伴随着控股公司重投天科项目的投产，天科合达的产线布局也将更加完整。
   
芯聚能
 
随着全球节能减碳计划的推广、消费需求的升级及汽车电气化进程的提速，车规级功率半导体需求逐渐攀升，而第三代半导体SiC材料因具备禁带宽、热导率、饱和电子漂移速率及抗辐射性能高，热稳定性和化学稳定性好等优良特性，近年来备受青睐。
 
在电动汽车上，SiC器件的主要应用场景包含OBC、车载空调、主驱逆变器。鉴于车载要求小体积、轻量化、高效率、高可靠性，OBC应用可以较好地呈现出SiC的价值。
 
随着电动汽车架构加速迈向800V电压平台，传统的硅基功率器件方案很难满足纯电车对能耗的要求，并且电动汽车中空调系统的能耗占比较高，仅次于动力能耗，所以SiC MOSFET将成为电动空调压缩机控制器的首选方案；同时，SiC MOSFET用在主逆变器中，有助于800V平台车型总体效率提高6-8%。
 
芯聚能SiC产品在电动汽车客户认证进度上已实现国内领先，2022年车规级模块累计上车超过1万块，累计交付超过5万块。产业链协同上，芯聚能已与策略伙伴形成了从衬底材料、晶圆和芯片、封装和模块到电驱控制充电系统的垂直联动，优势将逐渐凸显。
   
Wolfspeed
 
在汽车电气化、可再生能源发展及数字化大潮下，新能源汽车、工业、轨道交通及通讯基站等高压高功率应用对功率半导体器件提出了更高的要求，而传统硅基功率半导体器件的电能变换效率已经达到理论极限，因此，SiC等第三代半导体材料的应用潜力逐渐被挖掘。
 
相比硅基功率半导体，SiC功率器件能够实现更低的导通损耗和开关损耗，转换效率更高，有利于光伏逆变器、服务器电源、汽车充电桩等提升系统效率，减少系统体积和重量，节省系统成本。而随着800V汽车架构平台等更高压应用的进一步发展，更高压SiC功率器件的需求也逐渐增长。在此背景下，1200V SiC MOSFET开始崭露头角。
 
Wolfspeed作为SiC功率器件头部厂商，已推出第三代 SiC MOSFET产品，可提供优异的性能和可靠性，能够充分满足工业、能源、汽车等众多应用的要求，赋能新能源领域应用的创新和优化。目前，其1200V SiC MOSFET产品已拓展了车载充电器、DC-DC转换器、充电桩、燃料电池、光伏逆变器等应用，助力提升系统效率和功率密度，比如，基于Wolfspeed 1200V SiC MOSFET的DC-DC转换器，效率可提升到98.5%。
   
烁科晶体
 
SiC具备耐高压、耐高温、高频率、大电流、低损耗等特性，在电动汽车、充电桩、光伏储能、轨道交通及智能电网等领域有着巨大的应用潜力。
 
然而，SiC目前仍处于初步发展阶段，还有一系列难题亟待解决。其中，SiC单晶的制备一直是全球性技术难题，比如需要应对点线面体多种缺陷问题；而高稳定性的晶体生长工艺是其中最核心的技术，物理气相传输法则是目前成熟高、可实现产业化大规模生产的SiC单晶生长方法。
 
材料方面，8英寸衬底具有更高的芯片利用面积和更低的成本等优势，将改变市场格局。目前国内外厂商均在积极布局，国内方面，未来有望在产业链上下游的深度协同合作下，加速原材料国产替代的进程。
 
作为主力军之一，烁科晶体拥有覆盖SiC生长装备制造、高纯碳化硅粉料制备工艺、SiC单晶衬底制备与加工工艺的自主研发生产能力，已突破晶体生长、切割抛光等关键技术，粉料纯度达到99.9999%，并实现高纯度SiC单晶的商业化量产，且已成功实现8英寸SiC单晶研制，攻克了大尺寸籽晶获得难、晶体生长面临的应力大及晶体开裂等问题，产品已实现小批量生产和销售。
   
AIXTRON
 
化合物半导体技术正在撬动电力电子、光电子、半导体显示等多元的应用市场，未来几年，化合物半导体的整体市场规模都将呈现逐年增长的趋势，其中，电力电子领域表现尤为强劲，意味着SiC、GaN的需求将迎来广阔且快速的增长，也意味着大规模量产的需求也更为迫切了。
 
SiC、GaN正在和传统的Si材料激烈地竞争，新材料在原有的材料物理特性优势上，其生产过程需要满足和Si半导体工业匹配的流程，即高度自动化和智能化，只有这样才能满足终端用户对成本和良率的要求。在整个生产环节中，外延片是承接衬底与芯片的关键环节，这一环涉及的均匀性与缺陷密度是后端器件的良率和成本的关键影响因素，换句话来说，外延环节在SiC、GaN量产中扮演着重要的角色，也因此，生产外延片的MOCVD设备至关重要。
 
AIXTRON爱思强是SiC/GaN用MOCVD设备的主要供应商。针对SiC外延，AIXTRON推出了G10-SiC，可以同时满足6英寸和8英寸的SiC外延生产。G10-SiC采用了AIXTRON的行星式反应技术，在控制外延膜片内均匀性的基础上体现了多片机的高产能的优势。SiC功率器件的生产正在对自动化提出新的要求，G10-SiC实现了外延过程透明可见，包括衬底表面温度，反射率以及曲率，反应前驱物浓度实时控制，并采用机械手自动化完成衬底更换甚至设备耗材的更换。
 
G10-SiC实现了行业内领先的工艺腔体利用率以及单腔生产能力，帮助客户实现高品质、高产量、高性价比的外延片，满足电力电子量产的需求。针对GaN外延，AIXTRON G5+C设备同样满足6英寸和8英寸的GaN on Si外延生产，搭载C2C自动卡匣晶圆传输技术和原位清洁技术，适用于GaN功率器件以及Micro LED产品的大规模生产。
   
泰科天润
 
功率半导体器件是构成电力电子变换装置的核心器件。其中，MOSFET因具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点，逐渐成为功率器件的主流产品。
 
相比传统硅功率半导体，SiC MOSFET具有大禁带宽度、高临界击穿场强、高热导率三个最显著特征，有助高压、高功率应用提升系统效率、降低损耗和成本。
 
光伏、储能、充电桩有量且运行环境恶劣，是SiC器件的跑马场。而SiC MOSFET工业级起步，但仍需遵循硅器件的发展路径。
 
目前，SiC MOSFET成熟度仍不高，且符合应用场景要求的SiC MOSFET需要从多个维度衡量和测试。其中，可靠性是入场券，另外还需要具备稳定性一致、易用性、性能够用、价格友好等特点。除此之外，其背后的材料、设备、工艺、生产效率、运维成本、材料成本、测试评价、产品定义等都是需要考量的因素。
 
总的来说，应当理性看待SiC MOSFET单个产品乃至整个SiC产业的发展。目前，国产SiC MOSFET在特性、一致性、可靠性及应用验证等方面与国际领先水平还有明显的差距，不过，以稳扎稳打做好持久战准备的态度，跟上国际发展脚步不掉队就算是胜利，最终共同助推SiC产业的大规模产业化。
   
镓未来
 
近年来，第三代半导体GaN在PD快充行业迅速发展的基础上，逐渐拓展到通讯、汽车、工业、数据中心电源、光伏储能等应用领域，助力提升系统转换效率和功率密度，降低能耗，赋能绿色地球下的双碳建设。
 
其中，户外电源作为一种便携式储能产品，在休闲娱乐、户外作业和应急救援等方面应用广泛，在能源节约大潮下将迎来广阔的市场需求。
 
在户外电源中，双向逆变器是核心装置，而GaN在工作频率和转换效率等方面的优势凸显，已成为双向逆变器差异化竞争的理想选择，其既符合户外作业对防水防尘的应用要求，满足市场对无风扇户外电源设计需求，又有助于延长户外电源的使用寿命和可靠性，提高充电效率，从而提升整体用户体验。
 
面对户外电源的应用商机，镓未来自2021年开始大力拓展GaN在双向逆变器的应用，重点聚焦户外电源应用场景，并率先推出4kW GaN大功率无风扇双向逆变器技术平台，各项参数指标处于先进水平，已成为户外电源等中大功率应用的首选。目前，镓未来的GaN系列产品已覆盖消费、工业及车规等不同类别的应用。
   
三菱电机
 
家电、工业新能源、牵引电力、汽车等应用场景中对低损耗器件有着广阔的需求，SiC因其耐高压、耐高温、高频率、低损耗等优异的特性，正在逐渐渗透上述应用市场，但SiC产业仍处于发展初期，还面临着不少技术难题。
 
例如，在SiC功率模块的应用层面，需要特别注意开关速度快、电气特性时漂和短路耐量偏小等问题。针对这些问题以及家电、工业、轨道牵引等领域对SiC器件和模块的要求，三菱电机已开发相应的解决方案。
 
三菱电机自1994年投入SiC技术的研发，近年来持续发力SiC功率模块市场，2010年推出世界首款空调SiC功率模块，后于2015年成为新干线高铁全SiC功率模块的首位供应商。目前，三菱电机已开发第三代低电压SiC MOSFET (MIT2-MOSTM)，采用基于沟槽栅结构的多离子倾斜注入技术，可实现栅极氧化层的高可靠性。
 
另外，采用SBD-Embedded的SiC MOSFET技术使高压SiC模块的长期可靠性有了进一步的提高，并已推出采用此技术的3.3kV SiC模块FMF800DC-66BEW。
 
现阶段，三菱电机采用不同封装技术开发的SiC功率模块已在变频空调、医疗设备、储能系统和轨道牵引等领域得到商业化应用。
   
天域半导体
 
凭借宽禁带、高击穿电场强度、高电子饱和漂移速率、高熔点、高热导率等特性，SiC在新能源汽车、光伏储能、工业及轨道交通等领域的渗透率逐渐提升，未来，SiC器件的市场规模将随着相关应用市场的发展而进一步扩大。
 
SiC产业链主要分为衬底制备、外延生长、器件制造、模块封测和系统应用等环节，其中，外延作为承上启下的重要环节，对器件的可靠性有着关键的影响，也因此，外延设备也发挥着重要的作用。CVD化学气相沉积法是目前主流的SiC外延制备方法，分为垂直、水平和行星式三种生长系统，很大程度上决定着外延片的波长均匀性和缺陷密度水平，最终影响器件的良率和成本。
 
天域半导体是国内最早实现SiC外延片产业化的企业，现拥有3个运营基地，已实现全球化的布局，是我国SiC领域少数具备国际竞争力的企业之一。目前，天域半导体正在持续扩建产线并加大研发投入，目标是不断优化外延工艺，提升SiC外延层的质量，研发大尺寸、厚SiC外延片。
   
集邦咨询
 
在汽车、工业等下游应用市场的强力驱动下，化合物半导体市场已转向SiC/GaN功率元件。
 
随着Infineon、ON Semi等与汽车、能源业者合作项目明朗化，将推动2023年整体SiC功率元件市场规模达22.8亿美元，至2026年可望达53.3亿美元。
 
目前SiC功率元件市场仍然由国际IDM厂商主导，这些厂商正在积极投资8英寸产线。同时，为了迎接下游市场的爆发，全球SiC衬底产能亦在快速提升。对于关键的汽车市场而言，800V汽车系统于BEV正在加速渗透，十分有利于车用SiC市场进一步发展。
 
GaN功率元件市场的主要驱动力则来源于消费电子，特别是快速充电器。同时，许多厂商早已将目光转向数据中心、可再生能源等工业及汽车市场，这些领域蕴含着巨大的渗透机会，是未来GaN功率元件的重点应用方向。