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宽禁带半导体“搅局”新能源汽车:确定的方向,不确定的未来

2022-07-01 21:11:01


近日,Wolfspeed宣布其位于美国纽约州的莫霍克谷工厂正式投入使用,这是全球首家,也是唯一一家200mm的大型碳化硅晶圆制造工厂;英飞凌宣布将投资20亿欧元(约合22.7亿美元),在其位于马来西亚库林的工厂建造第三个厂区,以提高自身在宽


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近日,市调组织Yole在最新报告中指出,特斯拉创纪录的发货量帮助碳化硅在2021年达到了10亿美元的市场规模。截至目前,比亚迪的“汉”系列电动车和现代的Ioniq-5都因搭载高性能碳化硅模块而获得了快速充电功能,这也令其取得了良好的销量。蔚来、小鹏等更多的电动车厂商计划在2022年将使用了碳化硅器件的电动汽车推向市场。Yole预测,到2027年,碳化硅功率器件市场预计将从2021的10亿美元增长到60亿美元以上。


无独有偶,氮化镓功率器件将同样在电动汽车的汽车直流变换器和车载充电器等方面备受关注,氮化镓功率器件的制造商均在加速其产品的汽车认证。Yole表示,电动汽车将成为氮化镓功率器件的下一波增长点,预计到2027年,氮化镓功率器件在电动汽车的市场份额将超过2.27亿美元,2021—2027年年复合增长率将达到99%。


作为宽禁带半导体家族“新”成员的氧化镓近年来也取得不俗成绩。从日本市场调查公司富士经济对宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看,2030年氧化镓功率元件的市场规模将达到1542亿日元(约合12.2亿美元),这个市场规模比氮化镓功率元件的规模(约合8.6亿美元)还要大。


可以看出,碳化硅、氮化镓和氧化镓对新能源汽车功率半导体领域带来了巨大冲击,成了国内外头部企业的竞争新焦点。但在这三者之间,应用领域出现了很多交集,竞争关系也逐渐浮出水面。例如氮化镓适用于1000V以下的中低压市场,碳化硅适用于650V以上的中高压市场。因此,电压范围在650V~1000V内的应用领域,是氮化镓和碳化硅的主要竞争领域。氧化镓作为一种新型超宽禁带半导体材料,虽然还在研发过程中,但与碳化硅、氮化镓相比,氧化镓的禁带宽度远高于碳化硅和氮化镓,研究证明,以氧化镓材料所制作功率器件,相较于碳化硅和氮化镓所制成的产品,更加耐热且高效、成本更低、应用范围更广。甚至有专家表示,氧化镓在功率器件领域将有望取代碳化硅和氮化镓。可以预见,三者间的争斗即将拉开帷幕。


碳化硅成为新能源汽车竞争焦点


碳化硅由于其化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好、硬度高等特性,被称为“理想器件”,是当前宽禁带半导体中应用场景最为广范的。新能源汽车作为当下最热门的市场,也是碳化硅最能施展拳脚的领域。

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数据来源:Trendforce


2018年,特斯拉率先在Model 3电驱主逆变器上采用了意法半导体供应的650V碳化硅MOSFET器件,得到了良好的车辆反馈数据,各大厂商见识到了碳化硅在新能源汽车领域的实力之后,纷纷加入研发行列,并以最快速度推出了车规级产品,抢占市场。目前,在宽禁带半导体这条赛道上,主要玩家包括:意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、罗姆半导体、道康宁、昭和电工、瑞萨、Norstel等。


据了解,碳化硅器件在新能源汽车上的应用主要是功率控制单元(PCU)、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等方面。碳化硅可以使模块具有周边元器件系统小型化、电控模块小型化、冷却结构简单化的优势,从而提升新能源汽车的续航里程。芯谋研究总监李国强指出,碳化硅MOSFET未来一定会取代车用IGBT芯片。市调机构Yole预计,到2025年,新能源汽车和充电桩领域的碳化硅市场规模将达到17.78亿美元,约占碳化硅总市场规模的70%。


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2021—2027 年(预测)碳化硅功率器件各细分领域市场占比

数据来源:Yole


碳化硅功率器件发展如此迅速的领域,玩家间的竞争自然也愈发激烈,增资、扩产、合作的消息层出不穷。


近日,Wolfspeed宣布其位于美国纽约州的莫霍克谷工厂正式投入使用,这是全球首家,也是唯一一家200mm的大型碳化硅晶圆制造工厂;英飞凌宣布将投资20亿欧元(约合22.7亿美元),在其位于马来西亚库林的工厂建造第三个厂区,以提高自身在宽禁带半导体(碳化硅和氮化镓)领域的制造能力,并进一步增加产能;意法半导体为电源模块系统厂商赛米控(Semikron)eMPack电动汽车的电源模块提供碳化硅(SiC)技术,此外他们还与MACOM宣布,研制成功射频硅基氮化镓(RF GaN-on-Si)原型芯片,射频硅基氮化镓可为5G和6G移动基础设施应用带来巨大的发展潜力;罗姆宣布将加大投资力度,在日本阿波罗筑后和宫崎新工厂将于2022年投入运营,计划将器件产能提高5倍以上,目的是要抢占全球30%的碳化硅市场。


并且,越来越多的车企在更多的电动车型上搭载或计划搭载碳化硅模块。比亚迪旗舰车型“汉”搭载了高性能碳化硅MOSFET电机控制模块,使其0~100km/h加速仅需3.9秒。比亚迪预计2023年将采用碳化硅半导体全面替代IGBT半导体,整车续航性能将在现有基础上再提升10%。吉利汽车宣布将利用罗姆的先进碳化硅功率解决方案,开发高效电控系统和车载充电系统,以延长电动汽车的续航里程,降低电池成本并缩短充电时间。近日,蔚来也宣布,在其下一代电动车上选用了安森美的最新VE-Trac Direct 碳化硅功率模块。


氮化镓势力不可小觑


除了碳化硅的风生水起,也有多家企业尝试让氮化镓“上车”。在 PCIM Europe 2020 上,GaN Systems首席执行官Jim Witham介绍了一款All-GaN(全氮化镓)汽车,其采用可再生能源的太阳能蓄电池,证明了氮化镓在汽车功率转换方面的可行性,同时也证明了GaN适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。


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2021年-2027年(预测)氮化镓功率器件各细分领域市场营收

数据来源:Yole


“新能源汽车中的部分应用场景对于电压的需求在650V~1000V,因此,新能源汽车领域也成为了碳化硅和氮化镓的主要‘纷争’领域,例如电源驱动、车载充电OBC以及车载DCDC。”复旦大学工程与应用技术研究院研究员雷光寅向《中国电子报》记者介绍到。


从商业领域看,碳化硅和氮化镓的潜力市场均主要集中在新能源汽车电力电子器件。预计到2025年,全球应用于新能源汽车的碳化硅和氮化镓电力电子器件市场规模有望超过25亿美元。赛迪顾问新材料产业研究中心副总经理李龙表示,碳化硅在新能源汽车领域的市场优势主要体现在提升续航里程和减小电源转换系统体积等,而氮化镓在新能源汽车领域的应用预计在2025年前后逐步铺开,其主要市场优势体现为大幅缩短新能源汽车的充电时间,以及减小电源转换系统体积等。


虽然,在新能源汽车领域,碳化硅的市场应用仍更胜一筹,但是随着中低压氮化镓技术不断成熟,竞争力不断提升,将大大加速氮化镓在新能源汽车领域的生态发展。据了解,全球功率器件约68%的应用在0~900V的区间,该电压区间也是氮化镓的主要适用领域。据测算,全球氮化镓功率器件的潜在市场规模约300亿美元。未来,中低压氮化镓功率器件将有望在消费电子、汽车、工业等领域中焕发更大的活力。据了解,安世半导体已经采用GaN材料开发出针对900V高压的车载产品,且未来还有针对1200V产品的计划,这打破了GaN仅适用于中低压产品的传统思维。


“新能源汽车对高效率、高功率密度有着严苛的要求。通过节约零部件对车内空间的占用,让乘坐空间更加舒适。在高功率密度、强续航能力等需求,目前的硅功率半导体材料器件已经发展到瓶颈期。氮化镓器件的开关速度比硅MOSFET快很多,在高效率和高功率密度方面更能符合新能源汽车的需求。”安世半导体MOS业务集团大中华区总监李东岳表示。


氧化镓开启全方位研发热潮


各大企业在宽禁带半导体研发方面的竞争更是如火如荼,尤其是被誉为超宽禁带半导体的氧化镓,也被视为下一代半导体。研究证明,以氧化镓材料制作的功率器件,相较于碳化硅和氮化镓所制成的产品,更加耐热且高效、成本更低。所以业内普遍认为,氧化镓有望替代碳化硅和氮化镓成为新一代汽车功率半导体材料的代表。


日本企业Novell Crystal Technology作为氧化镓晶体研发领域的先驱,是世界上最早能够量产氧化镓基础材料(单晶和外延)及器件的企业,他们正在联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头,以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构,推动氧化镓单晶及衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。


近日,Novell Crystal Technology与佐贺大学合作,共同开发出了第三代氧化镓100mm外延片。此次研发属于日本国立产业技术综合开发机构(NEDO)战略节能技术创新计划中的一部分。本次研发中,外延片制造技术得到了改进,将致命缺陷的数量减少到传统晶圆的上一代产品的1/10。


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据NEDO官网介绍,这一研发成果将能够使氧化镓功率器件广泛应用于需要100A级功率器件的市场,如电动汽车、工业设备等,并有望在实现碳中和以及节能方面取得重大进展。


中国科学院院士郝跃在接受《中国电子报》采访时明确指出,氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一,在未来的10年左右时间,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争。但氧化镓目前的研发进度还不够快,仍需不懈努力。


为了保证在新能源汽车领域不落人后,提高研发速度,目前,各大企业都在积极与知名院校合作,形成 产、学、研生态圈。


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半导体代表性材料进阶图


中科大微电子学院 龙世兵教授课题组表示,能源、信息、国防、轨道交通、电动汽车等领域的快速发展,对功率半导体器件性能提出了更高要求,高耐压、低损耗、大功率器件成为未来发展趋势。 氧化镓作为新一代功率半导体材料,禁带宽度大、抗极端环境强,有望在未来功率器件领域发挥重要作用。 但氧化镓功率半导体器件推向产业化仍有很多问题,包括边缘峰值电场难以抑制、增强型晶体管难以实现。


可以看出,在新能源汽车功率半导体领域,三大宽禁带半导体在性能上各有千秋,各国各大企业都在往不同的方向努力,呈现出了百花齐放的状态,随着更多新产品、新技术的出现,三大宽禁带半导体之间的竞争势必更加激烈,互相之间替换关系也会更加明显,究竟谁将成为真正的王者,让我们拭目以待。


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作者丨许子皓  沈丛
编辑丨诸玲珍
美编丨马利亚
监制丨连晓东

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