特斯拉（Tesla）下一代汽車平臺(tái)削減75%碳化硅（SiC）用量的一紙宣言，直接激起發(fā)展如日中天的碳化硅行業(yè)千層浪的同時(shí)，也“擾亂”第三代半導(dǎo)體的前進(jìn)節(jié)奏。

官宣論斷板上釘釘，碳化硅前景似乎被打問(wèn)號(hào)，替代方案何解？與其并駕齊驅(qū)的另一第三代半導(dǎo)體代表材料氮化鎵（GaN）的上車機(jī)會(huì)點(diǎn)又有多遠(yuǎn)也被推進(jìn)熱議中心。尤其是在近日，半導(dǎo)體巨頭英飛凌重金押注氮化鎵，似乎正欲掀起千億賽道的狂歡。冷熱之間，第三代半導(dǎo)體仿佛正駛在成本、技術(shù)、工藝、資本等多個(gè)岔路口。

圖源：英飛凌官網(wǎng)

氮化鎵成替代方案？

作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，典型特征便是高電壓和高電流，相較于以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的較為成熟的第一、二代半導(dǎo)體，前者在應(yīng)用高壓電源、電力電子技術(shù)、電力控制系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)器、電力變換器等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

相較于硅器件，第三代半導(dǎo)體可降低50%以上的能量損失，并減小75%以上的裝備體積。簡(jiǎn)而言之，就是性能更好、效能更高，因而廣受新能源汽車、光伏、5G、消費(fèi)快充等領(lǐng)域青睞。

圖源：安世半導(dǎo)體

“碳中和”浪潮翻涌之下，第三代半導(dǎo)體也被視為“雙碳”達(dá)標(biāo)的一劑“良方”；與此同時(shí)，為推動(dòng)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決“卡脖子”困境，其也被看作是“彎道超車”的錦囊。

2021年，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)被正式寫入“十四五”規(guī)劃與2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中；2022年上半年，中國(guó)科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)2022年度項(xiàng)目中，再對(duì)第三代半導(dǎo)體材料與器件的7個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)支持。而此前已經(jīng)有一系列政策相繼出臺(tái)。

市場(chǎng)與政策的雙輪驅(qū)動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體發(fā)展如火如荼。聚焦市場(chǎng)化的應(yīng)用，作為代表性材料，氮化硅和氮化鎵的發(fā)展也有異同。

總體來(lái)說(shuō)，碳化硅的發(fā)展要更早些，區(qū)別于碳化硅聚焦高壓應(yīng)用，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)更側(cè)重于高頻，可實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。這也意味著氮化鎵能有效提升產(chǎn)品功率密度，以更小的尺寸、更輕的重量和更低的總成本優(yōu)勢(shì)，滿足更高的能效要求。

目前，碳化硅主要應(yīng)用于主驅(qū)動(dòng)逆變器（Inverter）、直流對(duì)直流（DC-DC）、車載充電器（OBC）等領(lǐng)域，對(duì)于后兩者，若以成本考量，替換成氮化鎵功率元件是業(yè)界所認(rèn)可的一種發(fā)展趨勢(shì)。

此外，在高壓功率晶體管市場(chǎng)，電動(dòng)汽車逆變器在400V-1,000V之間的市場(chǎng)格局也有發(fā)生變化的可能。

盡管氮化鎵器件目前主要占據(jù)400V以下應(yīng)用，碳化硅則在800V及以上的應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)，但隨著GaN器件的改進(jìn)，硅基GaN的大規(guī)模生產(chǎn)，以及價(jià)格逐步下探，在800V以上應(yīng)用市場(chǎng)，氮化鎵場(chǎng)效電晶體（GaN FET）替代SiC MOSFET的潛力似乎也不容小覷。

比如GaNPower此前就已展示過(guò)業(yè)界首款1200V單芯片（E型GaN功率器件），業(yè)界也預(yù)測(cè)1,200V GaN晶體管將在2025年左右推出。

同樣區(qū)別于碳化硅直接在汽車領(lǐng)域“開枝散葉”，因特性不一、認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)不一，氮化鎵則是在消費(fèi)電子市場(chǎng)“開疆?dāng)U土”一番之后，才逐步在數(shù)據(jù)通信、汽車、工業(yè)等市場(chǎng)顯露頭角。

具體來(lái)看，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，氮化鎵以快速充電器（快充）為主要戰(zhàn)場(chǎng)，此外也有產(chǎn)品應(yīng)用于無(wú)線充電、消費(fèi)型激光雷達(dá)等，也主因該領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)，氮化硅功率器件已成為當(dāng)前成長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)。

在汽車領(lǐng)域，氮化鎵主要應(yīng)用于車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器（電壓范圍為48V至400V）、激光雷達(dá)；另如在數(shù)據(jù)中心方面，氮化鎵器件也逐漸占有一方之地，能提供更為高效緊湊的電力架構(gòu)。

伴隨氮化鎵技術(shù)突破，氮化鎵也在進(jìn)一步撬動(dòng)市場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望爆發(fā)。Yole表示，通信和汽車將助推下一個(gè)功率GaN浪潮的到來(lái)。Yole預(yù)測(cè)，2027年，功率GaN市場(chǎng)將達(dá)到20億美元，其中，GaN汽車市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)2.27億美元，2021年至2027年間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為99%。

圖源：Yole

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈成型

目前，日本、美國(guó)和中國(guó)是氮化鎵技術(shù)布局的熱點(diǎn)市場(chǎng)。一如“發(fā)跡”于國(guó)外的傳統(tǒng)半導(dǎo)體，氮化鎵龍頭企業(yè)也多集中在國(guó)外。美國(guó)和日本起步較早，于20世紀(jì)70年代初便開始研究，其中，日本相對(duì)而言更具優(yōu)勢(shì)，全球的氮化鎵技術(shù)主要來(lái)源于日本。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋襯底、外延、IC設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)。從全球范圍來(lái)看，住友電工是襯底市場(chǎng)的龍頭，Macom、Intel、Wolfspeed（原稱為Cree）等主要占據(jù)GaN射頻市場(chǎng)，英飛凌、Transphorm等則主要布局功率市場(chǎng)。此外，韓國(guó)LG、三星等也都是當(dāng)前氮化鎵賽道的排頭兵。其中，住友電工與Cree作為行業(yè)龍頭，市場(chǎng)占有率均超過(guò)30%。

據(jù)了解，住友電工于2003年在世界上率先實(shí)現(xiàn)氮化鎵襯底量產(chǎn)，是全球氮化鎵射頻器件主要供應(yīng)商，華為也是其客戶之一。該公司聚焦于襯底和器件，目前，氮化鎵襯底以2-3英寸為主，4英寸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，6英寸樣本也已開發(fā)。

美國(guó)Cree因瞄準(zhǔn)第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)前景，自2019年開始逐步剝離LED業(yè)務(wù)，專注于碳化硅電力電子器件和GaN射頻器件，并于2021年正式更名為Wolfspeed（原Cree旗下的功率&射頻部門）。

德國(guó)英飛凌作為功率器件領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，在功率模塊、GaN FET器件上布局的專利最多。值得一提的是，就在3月初，英飛凌宣布以8.3億美元現(xiàn)金（約57億元人民幣）收購(gòu)氮化鎵全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者GaN Systems的動(dòng)作，再次激起氮化鎵領(lǐng)域的浪花。

英飛凌功率和傳感器系統(tǒng)總裁懷特表示，公司特別看好氮化鎵芯片，預(yù)測(cè)到2027年，氮化鎵芯片市場(chǎng)將以每年56%的速度增長(zhǎng)。因此，英飛凌還斥資20億歐元擴(kuò)大其位于馬來(lái)西亞居林和奧地利菲拉赫工廠的氮化鎵和碳化硅芯片的產(chǎn)能。

國(guó)內(nèi)方面，雖然起步相對(duì)晚些，技術(shù)布局與專利申請(qǐng)數(shù)量也與國(guó)外企業(yè)有一定差距，但后起發(fā)力強(qiáng)勁，“國(guó)產(chǎn)替代”的鋪路也已讓一眾企業(yè)在追趕中初露鋒芒。

如蘇州納維、東莞中鎵涉足襯底，蘇州晶湛半導(dǎo)體布局外延，海特高新代工氮化鎵晶圓生產(chǎn)，南芯半導(dǎo)體主攻快充控制，英諾賽科、三安光電等堅(jiān)定器功率器件方向，海威華芯則在碳化硅氮化鎵（GaN-on-SiC）HEMT射頻工藝上具有優(yōu)勢(shì)，另如矽立杰、晶豐明源、艾為電子、芯朋微、力芯微等皆在快充市場(chǎng)有所涉獵，還有一些新晉玩家源源不斷跑步進(jìn)場(chǎng)。

以英諾賽科為例，該公司在全球第三代半導(dǎo)體硅基氮化鎵領(lǐng)域已經(jīng)站到了頭部位置。作為全球唯一實(shí)現(xiàn)同時(shí)量產(chǎn)氮化鎵高、低壓芯片的IDM企業(yè)，主要產(chǎn)品涵蓋從低壓到高壓（30V-650V）的氮化鎵功率器件，被廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)中心、5G通訊、高密度高效快速充電、無(wú)線充電、車載充電器、LED燈照明驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

圖源：英諾賽科

目前，英諾賽科擁有兩座8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)基地，是全球產(chǎn)能最高的氮化鎵器件廠商。其8英寸硅基氮化鎵的產(chǎn)能達(dá)到每月1萬(wàn)片，并將逐漸擴(kuò)大至每月7萬(wàn)片以上。

2022年底，英諾賽科宣布，8英寸硅基GaN HEMT器件的出貨量破億，英諾賽科首席營(yíng)銷官馮雷博士稱，這在行業(yè)里是第一次，具有里程碑式的意義，也驗(yàn)證了英諾賽科GaN器件的質(zhì)量和可靠性。

氮化鎵上車需求迫切

多年市場(chǎng)“摸爬滾打”，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)儼然已經(jīng)駛?cè)氚l(fā)展的歷史窗口期，氮化鎵方面，隨著下游新能源汽車、光伏等市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，又遇三年芯片短缺時(shí)機(jī)，投融資兩旺，相關(guān)材料和器件產(chǎn)業(yè)化也得以加速，新增產(chǎn)能陸續(xù)開出，增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)保持明顯。

另受宏觀形勢(shì)影響，近年來(lái)以快充為代表的消費(fèi)電子市場(chǎng)增長(zhǎng)有所放緩，氮化鎵功率電子轉(zhuǎn)向新能源汽車與工控市場(chǎng)的需求迫切。

中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)新能源汽車近兩年來(lái)高速發(fā)展，連續(xù)8年位居全球第一。在政策和市場(chǎng)的雙重作用下，2022年，新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，產(chǎn)銷分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)96.9%和93.4%。市場(chǎng)占有率達(dá)到25.6%。

全國(guó)乘用車市場(chǎng)信息聯(lián)席會(huì)秘書長(zhǎng)崔東樹預(yù)測(cè)，2023年新能源乘用車銷量將達(dá)到850萬(wàn)輛，實(shí)現(xiàn)30%左右的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)增速逐步放緩、出口增長(zhǎng)較強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，總體來(lái)看中國(guó)汽車產(chǎn)銷未來(lái)必然會(huì)突破4000萬(wàn)輛。

在近期召開的中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇上，賽力斯集團(tuán)CTO、賽力斯汽車（輪值）總裁許林也直言，2023年新能源車市將迎來(lái)關(guān)鍵的分水嶺，新能源滲透率未來(lái)五年內(nèi)將超過(guò)50%，達(dá)到燃油車和新能源汽車的臨界點(diǎn)，巨變即將來(lái)臨。

這也意味著，第三代半導(dǎo)體有望一如既往地乘此東風(fēng)。嗅到行業(yè)商機(jī)，上述三代半龍頭的觸角早已伸向汽車領(lǐng)域。

如英諾賽科布局電動(dòng)汽車氮化鎵充電系統(tǒng)，提出全氮化鎵車OBC解決方案；珠海工廠已通過(guò)汽車認(rèn)證，預(yù)計(jì)將在2024年生產(chǎn)用于汽車應(yīng)用的8英寸硅基GaN器件；進(jìn)入車載激光雷達(dá)禾賽科技的供應(yīng)體系，且開始聯(lián)合國(guó)內(nèi)及韓國(guó)的大型Tier 1廠商共同研發(fā)GaN車用項(xiàng)目。

安世半導(dǎo)體的第三代半導(dǎo)體氮化鎵功率器件（GaN FET）同樣被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化和高端電源，特別是在插電式混合動(dòng)力汽車或純電動(dòng)汽車中。目前650V氮化鎵技術(shù)已經(jīng)通過(guò)車規(guī)級(jí)測(cè)試。

圖源：安世半導(dǎo)體

又如三安光電的GaN電子電力器件也已應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域等。此外，根據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)，2030年左右，原始設(shè)備制造商（OEM）也將開始考慮在主逆變器 （650V-800V） 中集成氮化鎵。

并且，不止上游供應(yīng)商，越來(lái)越多終端車企的箭靶也逐漸射向氮化鎵器件領(lǐng)域。如德國(guó)汽車系統(tǒng)制造商ZF合作以色列GaN公司VisIC，意大利汽車零部件制造商Marelli與Transphorm合作，寶馬在2021年跟GaN Systems簽訂6.5億元的GaN供貨協(xié)議，蔚來(lái)去年也投資了GaN外延企業(yè)晶湛半導(dǎo)體。

大規(guī)模應(yīng)用難 放量上車仍有距離

值得注意的是，盡管氮化鎵在性能、效率、能耗、尺寸等方面較傳統(tǒng)硅功率器件由明顯優(yōu)勢(shì)，但是也面臨許多發(fā)展問(wèn)題，主要集中在襯底和外延環(huán)節(jié)，以至于尚難大規(guī)模應(yīng)用。

據(jù)了解，氮化鎵是一種需要人工合成的物質(zhì)，不存在液態(tài)，因此不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的直拉法拉出單晶，只能靠氣體反應(yīng)合成。同時(shí)，氮化鎵沒(méi)有可靠的絕緣體技術(shù)，這導(dǎo)致故障安全設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，氮化鎵單晶材料的取得極為不易，不僅反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、速度慢、反應(yīng)副產(chǎn)物多，而且對(duì)設(shè)備要求苛刻、技術(shù)復(fù)雜、產(chǎn)能低，產(chǎn)品成本也非常高。這也是為什么氮化鎵最先從LED產(chǎn)品、消費(fèi)類快充等領(lǐng)域開啟市場(chǎng)占有之路的原因。

第三代半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅基岔路口

事實(shí)上，氮化鎵的成本過(guò)高問(wèn)題是當(dāng)前第三代半導(dǎo)體材料的通病，這也是特斯拉大砍碳化硅上車量的主因。

第三代半導(dǎo)體的市場(chǎng)前景毋庸置疑，但是在短期內(nèi)，站在成本與經(jīng)濟(jì)效益角度，對(duì)于車企來(lái)說(shuō)放量上車會(huì)有更多考量。

特別是在新勢(shì)力中，公司賬面上巨大“窟窿”仍存，今年國(guó)補(bǔ)退場(chǎng)加劇車企間的廝殺，價(jià)格戰(zhàn)狂飆進(jìn)一步壓縮盈利空間，全球經(jīng)濟(jì)下行、全球各種黑天鵝事件輪番上演……一系列不確定因素交織之下，車企儼然站到了十字路口。

或許在碳化硅或是氮化鎵技術(shù)與成本進(jìn)一步優(yōu)化之前，成熟的傳統(tǒng)硅基仍是不錯(cuò)的選擇。

圖源：NE時(shí)代新能源

仍以特斯拉為例，針對(duì)碳化硅用量減少的替代方案，不少業(yè)內(nèi)人士推測(cè)，特斯拉重新?lián)肀Ч杌^緣閘雙極晶體管（Si IGBT）模塊，很有可能選擇Si IGBT疊加SiC二極管的排列組合方案，從而降低SiC整體用量，拉大與競(jìng)爭(zhēng)者的差距。

英飛凌日前也指出，傳統(tǒng)的硅基電源芯片仍然很重要，并決定投資50億歐元以提高德國(guó)德累斯頓工廠此類芯片的產(chǎn)量。不過(guò)，他補(bǔ)充道，與寬禁帶半導(dǎo)體相比，這一領(lǐng)域的增長(zhǎng)預(yù)計(jì)會(huì)更慢。

特斯拉下一代車型削減75%碳化硅用量，是否會(huì)引起其他車企競(jìng)相效仿，IDM大廠后續(xù)對(duì)第三代半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的投建分配比例是否有所改變，氮化鎵大規(guī)模上車進(jìn)程如何……皆值得后市關(guān)注。

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