全球第三代半導(dǎo)體廠家解析

鐘林|資訊中心|information centre|

2022-06-08 20:22:30 13

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）在國內(nèi)一直被行業(yè)和投資人所關(guān)注，也對以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體有著很高的熱情和期待。

最近，筆者查閱國外相關(guān)報(bào)道對全球第三代半導(dǎo)體部分主要廠家進(jìn)行了分析和總結(jié)：

1、碳化硅市場的競爭正在加劇，多家供應(yīng)商對市場規(guī)模超過當(dāng)前中期預(yù)期表示樂觀。

2、Soitec對其SmartSic基板和GaN-on-SOI（絕緣體上硅）產(chǎn)品的基板客戶吸引力仍然充滿信心，認(rèn)為GaN-on-SOI的潛在商業(yè)化可能會為市場和投資者提供額外的選擇機(jī)會。

3、英飛凌采用ColdSplit技術(shù)。從分析來看，英飛凌不太可能采用Soitec的SmartSic基板。但Soitec仍然認(rèn)為SmartSic基板在未來有著重大機(jī)遇。

4、GaN功率器件的交付周期較短（與硅功率器件相比）和創(chuàng)新的營銷策略（GaN功率產(chǎn)品的20年保修期）可能會加速GaN功率器件市場的增長。行業(yè)看好英飛凌（Infineon）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）和Soitec（Soitec）。

Infineon Technologies

碳化硅

1、英飛凌的碳化硅業(yè)務(wù)最近在工業(yè)終端市場上贏得廣泛基礎(chǔ)。2017財(cái)年，87%的design win來自太陽能逆變器。2021與2017財(cái)年相比，碳化硅業(yè)務(wù)增加了5倍，碳化硅的應(yīng)用也變得多樣化。英飛凌在2025年將從SiC器件獲得10億美元的收入。

2、英飛凌SiC產(chǎn)品與競品的主要區(qū)別因素有：

能夠在未來大規(guī)模擴(kuò)展和交付/承諾量產(chǎn)
英飛凌溝槽SiC MOSFET的高性能（低開關(guān)損耗、更小的芯片尺寸/更大的功率密度、低導(dǎo)通電阻、更好的尖峰保護(hù)）
有能力提供驅(qū)動IC 和完整的封裝/系統(tǒng)專有技術(shù)– mgmt。其Easy 模塊中有50%以上是定制產(chǎn)品。在功率模塊客戶方面，英飛凌能夠提供與硅基模塊相同的SiC模塊，能為客戶帶來多種優(yōu)勢，幫助客戶加速上市時(shí)間。

3、英飛凌的SiC產(chǎn)品仍處于*代，但它剛剛推出了升級版。第二代產(chǎn)品（Cell設(shè)計(jì)小25-30%）正處于驗(yàn)證階段，英飛凌預(yù)計(jì)，基于第二代SiC MOSFET的產(chǎn)品將于今年年底在汽車市場推出。

4、在高壓應(yīng)用中，雖然碳化硅有望隨著時(shí)間的推移從硅基產(chǎn)品中*得份額，但許多產(chǎn)品將在未來多年內(nèi)繼續(xù)使用硅基IGBT。例如，Infineon提到電機(jī)驅(qū)動和高壓DC-DC。在這些使用案例中，由于與成本、低開關(guān)頻率和長設(shè)計(jì)周期相關(guān)的原因，預(yù)計(jì)對IGBT的需求將保持不變。

5、英飛凌的SiC收入增長預(yù)計(jì)將由汽車終端市場帶動，其次是工業(yè)終端市場。

英飛凌的ColdSplit與Soitec的SmartCut的相對優(yōu)勢：

1、英飛凌指出，尚未對Soitec的SmartSiC基板進(jìn)行*評估，因此無法對SmartSiC的優(yōu)點(diǎn)發(fā)表評論。英飛凌電力產(chǎn)品中的硅芯片目前厚度低于50微米。

2，對于1.7KV應(yīng)用，SiC模具只需要20微米的厚度，對于3.4KV應(yīng)用，則需要c30微米的厚度。英飛凌采用ColdSplit技術(shù)的最終目標(biāo)是將SiC芯片厚度從c350微米的起始晶圓厚度提升到50微米以下。目前英飛凌還沒有達(dá)到這個(gè)目標(biāo)厚度。

3、如果Infineon成功，這意味著Infineon的SiC芯片在使用ColdSplit技術(shù)分裂后的電阻率可能明顯低于未使用ColdSplit技術(shù)分裂的SiC晶片制造的電阻率。

4、此外，英飛凌注意到，最終SiC器件的電阻率僅在很小程度上取決于基板的電阻率（1200v SiC MOSFET的單位百分比影響）——主要驅(qū)動因素往往是Infineon內(nèi)部所做外延層的電阻率，這是Infineon SiC解決方案與競爭者的關(guān)鍵區(qū)別因素。

5、單晶硅碳化硅的電導(dǎo)率約為20mOhm.cm，假設(shè)為5mOhm.cm電導(dǎo)率，使用SmartSiC基板生產(chǎn)的SiC MOSFET的電阻率的最終影響可能與使用厚度<50微米的SiC Die生產(chǎn)的SiC MOSFET沒有實(shí)質(zhì)性區(qū)別（冷裂技術(shù)后處理）。Soitec的SmartSiC基板的價(jià)格不會低于傳統(tǒng)SiC基板。

6、行業(yè)認(rèn)為Soitec將其smartSiC基板出售給英飛凌以外的SiC器件廠商會是一個(gè)巨大的機(jī)會。

氮化鎵

1、目前，GaN產(chǎn)品的收入很低，但英飛凌有著強(qiáng)大的design-in funnel，并專注于增加銷量。英飛凌的內(nèi)部制造（包括外延步驟）有望提供競爭優(yōu)勢。

2、英飛凌在GaN的產(chǎn)品組合將解決高達(dá)650V的額定電壓問題。英飛凌預(yù)計(jì)，GaN在低壓應(yīng)用中的機(jī)會比在高壓應(yīng)用中的機(jī)會更大。

3、GaN產(chǎn)品包括集成電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有與GaN電源開關(guān)相結(jié)合的驅(qū)動器。英飛凌也在研究單片集成驅(qū)動芯片，但指出單片集成產(chǎn)品可能只針對利基市場。此外，整體集成產(chǎn)品可能需要更大的模具，因此可能會導(dǎo)致較低的產(chǎn)量。

Soitec

碳化硅和氮化鎵

1、近幾個(gè)月來，Soitec從其SiC原型中看到了有希望的結(jié)果，在其200毫米SiC基板從試驗(yàn)線研究成功后，對其SiC產(chǎn)品線的信心增加，并且對其多晶硅碳化硅供應(yīng)鏈也變得更加自信。

2、Soitec正在就其SmartSiC基板的商業(yè)化與客戶進(jìn)行深入討論，并對客戶吸引力充滿信心。外界的觀點(diǎn)是，Soitec管理層可能會在6月份的2022財(cái)年業(yè)績更新中提供其SiC產(chǎn)品的最新情況。

3、Soitec指出，其單晶硅碳化硅可從多家供應(yīng)商處采購，并正在就確保供應(yīng)進(jìn)行討論。還打算擁有多家多晶硅碳化硅供應(yīng)商。

4、在GaN方面，Soitec管理層注意到，當(dāng)芯片的電源部分與輸入/輸出和邏輯/MCU部分進(jìn)行單片集成時(shí)，硅上GaN制成的器件存在與隔離相關(guān)的問題。為了解決這個(gè)問題，Soitec正在將GaN-on-SOI視為一種潛在的解決方案，但也強(qiáng)調(diào)了Soitec尚未在實(shí)踐中證明這種解決方案。雖然Soitec并沒有為在SOI器件上生產(chǎn)GaN的基板提供具體的時(shí)間表，但他們指出，這可能需要2到4年的時(shí)間。

5、長期來看，Soitec打算使用SmartCut生產(chǎn)GaN器件的基板。作為該產(chǎn)品的一部分，Soitec可能希望通過優(yōu)化基板來獲得競爭優(yōu)勢，以降低電阻率，并更好地散熱GaN器件。這不是當(dāng)前的解決方案，Soitec目前正在研究開發(fā)具有上述特征的解決方案。

Power Integrations

氮化鎵

1、PowerIntegrations一直在銷售GaN Power產(chǎn)品，作為其Innoswitch產(chǎn)品線的一部分，該產(chǎn)品集成了驅(qū)動IC和電源開關(guān)。雖然GaN的收入貢獻(xiàn)很小，但Power Integrations是GaN功率開關(guān)市場的領(lǐng)導(dǎo)者。目前，與GaN相關(guān)的收入主要由移動快速充電器市場推動。

2、GaN在30瓦以上的開關(guān)應(yīng)用中具有成本效益，隨著時(shí)間的推移，GaN將從硅開關(guān)產(chǎn)品市場中取得更多的份額。然而，考慮到采用硅基開關(guān)產(chǎn)品所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的長周期性，硅產(chǎn)品將繼續(xù)銷售多年。

碳化硅

1、在Innoswitch產(chǎn)品線內(nèi)，Power Integrations將使用碳化硅開關(guān)，具體取決于使用情況（例如，在電動汽車中）。該公司最近宣布了一款基于1700v SiC MOSFET的Innoswitch產(chǎn)品，用于汽車應(yīng)用中的DC-DC電源。該產(chǎn)品已被設(shè)計(jì)進(jìn)入到主要的汽車OEM廠商，用于牽引逆變器內(nèi)的緊急開關(guān)應(yīng)用。

2、電動汽車制造商愿意為碳化硅支付更高的價(jià)格，部分原因是與有利于減輕重量相關(guān)。這些更輕的重量優(yōu)勢在電動客車/卡車中并不顯著，因此，電動客車/卡車中采用SiC的速度較慢。

3、Power Integrations最近推出了一種性能非常接近SiC二極管的硅二極管。這些二極管比SiC二極管*，將用于電動汽車的車載充電器，每輛電動車用量10-15美元不等。

近期供需及其他：

1、Power Integrations傾向于在高壓市場銷售更多的門驅(qū)動器IC。比如在商用卡車應(yīng)用中。

2、 Power Integrations尚未發(fā)現(xiàn)其晶圓代工伙伴（包括GaN產(chǎn)品）的任何材料限制，并正在繼續(xù)增加產(chǎn)能。

3、當(dāng)前的定價(jià)環(huán)境是有利的，因此，Power Integrations不會給客戶任何*。這意味著晶圓制造的改進(jìn)已經(jīng)貫穿到盈利能力指標(biāo)。

4、 Power Integrations并不認(rèn)為Android手機(jī)的庫存特別高，但也指出，由于中國經(jīng)濟(jì)疲軟、通貨膨脹和停產(chǎn)，中國的需求已經(jīng)減弱。另外還指出，中國智能手機(jī)廠商在俄羅斯有大量業(yè)務(wù)，這也影響了需求。

5、 Cypress在USB-PD市場的解決方案主要在接收端，而Power Integrations的USB-PD解決方案主要在充電器端。Cypress在USB-PD市場的許多design wins都是由筆記本市場推動的。移動手機(jī)市場尚未在數(shù)量上轉(zhuǎn)向USB-PD市場。

6、 Power Integrations認(rèn)為其高壓GaN產(chǎn)品具有技術(shù)優(yōu)勢。這一點(diǎn)，再加上系統(tǒng)專長（而不是生產(chǎn)分立功率器件），將有助于Power Integrations保持其在GaN市場的*地位。

Efficient power conversion corporation（EPC）

1、EPC的重點(diǎn)是用于低壓應(yīng)用的GaN器件，特別是48V。EPC打算成為48伏GaN應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者。

2、EPC認(rèn)為，目前有四個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用對推動增長非常重要。其中包括：

用于自動駕駛汽車和更普遍的機(jī)器視覺的激光雷達(dá)應(yīng)用——激光雷達(dá)應(yīng)用需要非常尖銳的光脈沖，而這反過來又需要非常高且窄的電流脈沖。這些要求對GaN有利。Luminar、Septon、Velodyne、Ouster、Aptiv 、Valeo 正在將EPC的GaN器件用于激光雷達(dá)應(yīng)用。
GaN的小尺寸在企業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面有優(yōu)勢
空間/衛(wèi)星應(yīng)用提供優(yōu)勢——GaN器件比基于硅的器件更能抵抗輻射。因此，GaN開關(guān)越來越多地用于衛(wèi)星/空間應(yīng)用。
電機(jī)驅(qū)動

3、EPC在供應(yīng)方面沒有任何問題，目前正在努力在年底啟用第二個(gè)晶圓廠（能力為200毫米）。轉(zhuǎn)移到200mm GaN晶片并不一定會帶來顯著的成本優(yōu)勢，因?yàn)橥庋訉釉?00mm晶片上比在150mm晶片上更難生長，外延是生產(chǎn)過程中最昂貴的步驟之一。

4、在許多應(yīng)用中，GaN解決方案比硅基解決方案*，因?yàn)镚aN芯片的尺寸比硅基解決方案小得多。在650V以下，GaN很可能會在許多開關(guān)應(yīng)用中取代硅。

5、混合動力汽車的功率在2-8千瓦之間。在這些功率水平下，12伏的布線往往非常僵硬，因此，很難制作相關(guān)線束。因此，汽車制造商正在轉(zhuǎn)向使用48伏電壓。EPC的GaN產(chǎn)品專注于此電壓水平。

Navitas

1、Navitas是最大的GaN器件公司，迄今已售出5000萬片GaN芯片。Navitas的重點(diǎn)是高壓領(lǐng)域。前十大手機(jī)設(shè)備制造商中有9家使用Navitas的GaN IC，Navitas是智能手機(jī)充電器的*大GaN供應(yīng)商。Navitas的GaN芯片用于170種充電器型號中，還有更多型號正在開發(fā)中。

2、Navitas打算進(jìn)軍更高端的電力市場，解決電動汽車等應(yīng)用問題車載充電器、太陽能逆變器和數(shù)據(jù)中心電源。對于這些應(yīng)用，可靠性非常重要，因此，Navitas最近推出了20年限保修，以使上述垂直領(lǐng)域的客戶更容易使用Navitas的解決方案。這與硅功率半導(dǎo)體的典型2年保修相比。客戶對其20年限保修服務(wù)非常感興趣。

3、作為一個(gè)與眾不同的因素，Navitas將驅(qū)動IC和傳感組件與其電源開關(guān)集成在一起。這提高了系統(tǒng)性能，并成為競爭優(yōu)勢的來源。

4、Navitas使用臺積電作為其GaN代工廠。GaN產(chǎn)品的交付周期比硅基功率半導(dǎo)體的交付周期短。這是促使充電器廠商采用GaN基功率半導(dǎo)體而非硅基功率半導(dǎo)體的另一個(gè)因素。

ROHM Semiconductor

1、Rohm打算在2020至2025年間將其SiC生產(chǎn)能力增加5倍以上，并計(jì)劃到2030財(cái)年在SiC器件中實(shí)現(xiàn)30%的份額。

2、大多數(shù)汽車OEM廠商碳化硅平臺將在2025年開始生產(chǎn)，2025-2030年計(jì)劃中的碳化硅設(shè)計(jì)正在增加。汽車行業(yè)目前正在與碳化硅合作伙伴達(dá)成長期協(xié)議。Vitesco是Rohm在歐洲最大的SiC合作伙伴。

3、Rohm最近推出了基于溝槽技術(shù)的第四代SiC MOSFET。Rohm的第二代SiC MOSFET基于平面技術(shù)。在汽車終端市場，Rohm的重點(diǎn)聚焦在裸Dies；而在工業(yè)終端市場的重點(diǎn)是已封裝器件。Rohm今年將開始為汽車終端市場送樣已封裝裝的SiC產(chǎn)品。

4、Rohm與Vitesco和Semikron等公司有SiC模塊合作伙伴關(guān)系。

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