目前，碳化硅和氮化镓是第三代半导体中应用最广的两类材料，其中碳化硅商用更加成熟，氮化镓市场初起步。
近年来第三代半导体风起，2022年投资、整合、扩产不断。
8月15日，氮化镓龙头纳微半导体宣布收购碳化硅企业GeneSiC，业务线拓展至碳化硅市场。据悉，GeneSiC在碳化硅功率器件领域排名前十，主要提供650V-6500V全系列车规级碳化硅MOS，收购总额约19亿美元。
目前，碳化硅和氮化镓是第三代半导体中应用最广的两类材料，其中碳化硅商用更加成熟，氮化镓市场初起步。在当前的半导体世界中，硅器件仍占据九成市场，第三代半导体规模仍小、技术也需要再突破，但是整体成长速度飞快。
在2022集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会上，集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄表示：“在全球疫情反复等客观因素的影响下，消费电子等终端市场需求有所下滑，但应用于功率元件的第三代半导体在各领域的渗透率仍然呈现持续攀升之势，其中，800V汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器、数据中心及通讯基站电源等领域的快速发展，推升了2022年SiC（碳化硅）/GaN（氮化镓）功率半导体市场需求。”
国内企业也纷纷落子第三代半导体，布局新能源、新基建等增长型市场，同时也面临着挑战。龚瑞骄告诉21世纪经济报道记者，整体来看，国内第三代半导体的困境体现在两方面，其一是器件技术方面，比如碳化硅MOS芯片和海外有较大差距，并且主要依靠海外代工；其二，原材料领域，国际上碳化硅衬底已经进入8英寸，中国才刚刚步入6英寸量产。
碳化硅加速上车
经过十多年的发展，碳化硅早已走向商用，而随着全球低碳化趋势，以及新能源汽车的崛起，碳化硅乘上了新东风，尤其是在汽车领域，按下了上车的加速度。
根据TrendForce集邦咨询最新报告《2022第三代半导体功率应用市场报告》显示，随着越来越多车企开始在电驱系统中导入SiC技术，预估2022年车用SiC功率元件市场规模将达到10.7亿美元，至2026年将攀升至39.4亿美元。
Wolfspeed中国区销售与市场副总裁张三岭谈道，终端应用市场对于高效率、高功率密度、节能省耗的系统设计需求日益增强，与此同时，各国能效标准也不断演进，在此背景下，SiC凭借耐高温、开关更快、导热更好、低阻抗、更稳定等出色特性，正在不同的应用领域发光发热。
他举例道，以电动汽车的22kW OBC（车载充电器）应用为例，SiC器件有助于减少30%的功率损耗、缩短充电时间，并将功率密度提升50%，带动系统效率的提升及系统成本的下降。同时SiC开始加速渗透电动汽车、光伏储能、电动车充电桩、PFC/开关电源、轨道交通、变频器等应用场景，接下来将逐步打开发展空间。
谈及碳化硅在汽车领域的挑战，龚瑞骄接受记者采访时表示：“核心挑战在于主驱逆变器的可靠性要求很高，成本高。产业链也在通过多个方式降低成本，其中在衬底领域有不小空间，比如切割环节，普通晶体切割工艺会损失大量产能，使用新型的激光切割等方法来减少损失。此外，国内芯片良率上，和国外还有差距。”
面对电动汽车等市场机遇，全球厂商们不断扩大碳化硅产能、投入研发。今年4月，全球SiC材料龙头Wolfspeed全球最大的首座8英寸（200mm）SiC工厂正式开业，该工厂预计2024年达产，届时产能将达2017年的30倍。除了Wolfspeed，今年英飞凌计划斥资逾20亿欧元，在马来西亚居林工厂建造第三个厂区，新厂区将用于生产碳化硅和氮化镓功率半导体产品。同时，更多的企业在8英寸领域进行突破，比如法国企业Soitec发布了首款8英寸碳化硅晶圆、中国电科材料烁科公司研制出8英寸碳化硅晶体。
当前，国内的碳化硅项目也层出不穷，并且汽车领域竞争激烈，除了国外大厂，国内的上汽、北汽、广汽、吉利等大型汽车集团正在加大本土碳化硅产业链的投资力度。在泰科天润应用测试中心主任高远看来，国产碳化硅芯片项目面临多方面的问题。比如对于6英寸、8英寸的选择上，短期内仍以6英寸为主，可以谨慎布局英8寸技术，未来瓶颈在国产8英寸衬底供应，同时芯片制造工艺上也亟待突破。
高远还指出，二极管已成红海市场，碳化硅二极管成为国产化的突破口，但随着价格的不断下降，导致新进玩家门槛越来越高。在碳化硅器件的主战场主逆变器方面，国产器件需要在工业领域、OBC、车载DC-DC充分验证后才能放心上主驱逆变器，预计还需要3-5年时间。
氮化镓急拓新市场
再看热门的氮化镓领域，龚瑞骄介绍道，氮化镓材料被广泛应用在功率半导体、微波射频元件、光电子元件。在Power（电源）领域，目前主流的衬底类型是硅基氮化镓，Transphorm、Navitas（纳微半导体）、Innoscience（英诺赛科）等厂商均是采用这类的结构。另外在RF元件市场，主要以碳化硅基氮化镓为主流的结构，相关厂商有住友电工、科沃、NXP、Wolfspeed等。
当前，氮化镓的主要应用场景仍在消费电子端的充电器领域，快充为其提供了商用市场，厂商们也在不遗余力地往数据中心、电动汽车等新市场拓展。
目前在全球氮化镓市场上，英诺赛科排名前三，并采用IDM模式，在苏州和珠海建有8英寸硅基氮化镓量产线。英诺赛科首席营销官冯雷向21世纪经济报道记者表示，氮化镓的优势不仅在充电器领域，还包括数据中心和车载市场。以数据中心电源应用为例，英诺赛科已经和国内外头部厂商进行合作，比如已经和英伟达进入到验证阶段。
他进一步说道，美国厂商在经历架构变化，谷歌提倡服务器电源从12V到48V的转换，会减少电源损失，氮化镓的优势非常明显。
同时，在新能源汽车领域，英诺赛科也已经进行布局。冯雷介绍道：“进入量产的是在激光雷达的驱动激光板的开关，只有氮化镓才可以实现需求。下一步，更高压的氮化镓是否能做核心驱动，还在验证阶段。”
谈及产能，冯雷告诉记者，目前英诺赛科的产能可以满足今年和明年需求，在他看来：“2023年是氮化镓增长元年，2024年将开始指数级增长。氮化镓从试产到量产应用，已经走过一个循环，市场还会不断增长，数据中心、服务器大厂家都在明确地投入，开发氮化镓高效率的解决方案。”
从全球产业看，氮化镓企业也在加快研发脚步，据介绍，在材料领域，丰田开发出超过6英寸的氮化镓单晶衬底，韩国IVWorks收购法国Saint-Gobain的氮化镓单晶衬底业务；器件领域，Nanowin产品进入三星快速充电器，今年成立首个电动汽车氮化镓IC设计中心。
龚瑞骄表示：“车身的OBC、DC/DC、激光雷达中氮化镓有非常好的应用，我们预估氮化镓的功率元件市场规模将在今年达到2.6亿美元，2026年成长至17.7亿美元，复合增长率达到61%。”
不过，他也指出，目前氮化镓材料的成本还非常高，可以看到4英寸的氮化镓单晶衬底大概是1500美金，折算回同尺寸的碳化硅大概是四倍的价格。
冯雷则向记者表示：“成本上，氮化镓近三年内快速降低，同样功率等级的情况下和硅产品相比，已经从5、6倍降至1.5倍的水平，接下来还会进一步下降。”
随着氮化镓产业链的成熟和成本的不断降低，氮化镓功率器件的应用场景将会进一步拓展。
（作者：倪雨晴编辑：张星）
