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产业洞察:中国碳化硅三代半导体行业发展历史,在EV中的应用

上海遨问创投2017年领投了泰科天润的A轮投资,并参与了后续的多轮股权融资。泰科天润是中国领先的碳化硅器件IDM(泰科天润GPT)。GPT在北京拥有4英寸晶圆厂,在湖南的6英寸晶圆厂也于 2021年正式生产投入运营。

遨问近日与 GPT 董事长兼首席执行官陈彤探讨了碳化硅SiC 行业的发展现状,并整理汇总了他所分享的前言观点。尽管与全球同行相比,GPT仍有追赶的空间,但其一如既往的坚持和我们对中国半导体行业的美好愿景同声相应。相信泰科将持续发展,用雄心壮志引领中国市场,并成长为全球公认的创新者。




以下为遨问创投对陈彤先生的访谈记录:


遨问:碳化硅器件的市场前景如何?


陈彤:我认为在整体功率半导体市场中,工业类的应用(EV、新能源、配电等)是未来十年的关键驱动力,是个增量市场。比较而言,功率半导体在消费型电子产品(PC、智能手机等)的增长会相对平缓,是个存量市场。目前工业市场需求约为 700到800 亿元人民币(11-130 亿美元),预计未来几年将超过 1000 亿元人民币(160 亿美元),主要受电动汽车和新能源两大行业的驱动。


所以碳化硅产品对硅基产品的取代,是在一个总体是增量的市场里面发生的,这样的渗透相对会比存量市场的取代,要容易得多一些。比如,在过去三年里,碳化硅在电动汽车的渗透率已高于市场预期,而这个领域是足以支撑功率半导体未来五年到十年的长周期的增长。在 EV 逆变器中,我们是能看到 SiC MOSFET 将取代 Si IGBT 的明显趋势,而当前市场上存在的争议,主要的问题是在替代的速度,即 SiC MOSFET 会在多快的时间,实现对硅基 IGBT 在多大比例上的替代。


除了对碳化硅实际的市场需求在不断的增长之外,碳化硅器件的未来前景,还可以从一些具体的应用领域,得到一些参考。诸如电动汽车领域,中国本地供应商在硅基 IGBT 和 SiC MOSFET 上占有市场份额都很小。所以在电动汽车产业这样的行业中,中国车企所面对的供应链挑战,不会是在电池和电机上,更主要的问题会是在像功率半导体这样的核心芯片上。比如现在英飞凌仍然是功率半导体的主要供应商,因此国内功率半导体企业还要加紧提升自身的能力,这即是意味着未来的竞争会很激烈,但同时也是意味着未来还很大的上升空间。


遨问: SiC MOSFET 在 EV Inverter(电动汽车逆变器)的使用方面取得进展了吗?


陈彤:在EV 逆变器中采用SiC MOSFET主要受限于两个因素:

1)性能:SiC 是一种化合物半导体材料,做成MOSFET器件,是一个高频化的开关性能,同时普遍用于大功率应用环境(EV逆变器,类似于ICE车辆中的发动机),这样的应用也需要时间来验证最终设备的稳定性。所以整个碳化硅技术路线的验证是一个持续而长期的过程,最终的客户应用是否成功,不仅取决于供应商能否在第一波量产浪潮中交付出合格的产品,还取决于他们能否在未来几年能实现持续性的供货。


2) 成本:SiC MOSFET 目前比 IGBT 贵 7 倍左右。此外,功率半导体从纯硅变为化合物半导体,必须重新设计相关系统,最大限度地发挥SiC MOSFET 的性能,需要大量的时间和研发投入,这并非所有车企都能负担得起。


因此,我们能看到丰田和特斯拉等全球领先的汽车企业在引领碳化硅上车的应用,一方面这些车企有更雄厚的实力和决心,去开发一款依托于新的技术路线的新的产品,另一方面,这些车企有足够的市场号召力,能够在产品定价上和市场营销上,承受住新技术带来的风险和成本。相比之下,鉴于本土的车企的定位、品牌、资金实力和技术积累,这就会使得SiC MOSFET 较高的成本成了一个更为明显的问题。也就是说,具体在多快的节奏、多大的量上去应用SiC MOSFET,这个问题会取决于很多因素,比如各个车企的判断、自身品牌的定位、市场的策略、研发实力的积累、投入的时机和决心等。


遨问:从经济的角度出发,SiC MOSFET 与 Si IGBT 有什么区别?


陈彤:目前 6 英寸 Si 外延片售价为 两三百元人民币(31 美元),而6 英寸 SiC 外延片的价格要超过1 万多元人民币(1,600美元),贵了近 50 倍。三年前,6 英寸 SiC 外延片价格为 1.6 万元人民币(2,500美元),我预计未来三年将降至 7 万元人民币(1 千美元)。对于器件而言,SiC MOSFET 的价格比 Si IGBT 高出约 7 倍,而 SiC 二极管的价格比 Si 二极管贵约 3-4 倍。我预计 SiC MOSFET 和 Si IGBT 之间的价格差距将在未来三年内从 7 倍缩小至 3-5 倍。


一方面,碳化硅材料和器件的成本在逐年下降,另一方面,碳化硅在应用上的优势,在逐年突出出来。在整体解决方案的基础上,我相信未来不远的时间内,与 IGBT 相比,SiC MOSFET 将更具竞争力。例如,使用 SiC MOSFET 的 EV 逆变器可以提高功耗效率,从而将电池寿命延长 6%。换句话说,如果使用 IGBT 的 EV 可以运行 500 公里,那么使用相同电池的 SiC MOSFET 可以额外运行 30 公里。


总之,对于像电动汽车、新能源这些领域,碳化硅的成本已经是主要问题了,技术稳定性也得到了相当程度的验证了,应该也不是主要问题了。现在主要的问题就是供应量,无法生产足够的高品质的碳化硅产品。未来的五年,只要电动汽车和新能源领域不会出现重大的超出预期的变化,那么碳化硅从衬底、外延到器件,将会是一个持续性的供不应求的状态,目前全球在碳化硅领域的供应能力,短期内都跟不上下游的需求。这是当前国内国外都面临的一个突出的情况。


遨问: 国内碳化硅半导体产业是如何发展至今的?


陈彤:我们国内投身到碳化硅半导体这个领域,算是比较早了。在这方面,我们在整个亚洲区域去看,我们可以说是走在整个亚洲的前列的。特别是我们在碳化硅衬底材料的积累上,我们比韩国、台湾地区,甚至日本本土的企业,都发展的早一些。从2009年开始,国内的一些企业就投身进入到了碳化硅行业领域。

第一波 2010-2012: 泰科天润 (devices, IDM), 天科合达(substrate), 天岳先进(substrate), 东莞天域 (epiwafer), 瀚天天成(epiwafer)。这五家公司是中国 SiC 供应商的第一波浪潮,都是几乎紧随着全球同行的发展,建立公司并开展碳化硅业务的。目前,在中国供应商中,这五家公司也还是碳化硅行业的佼佼者。

第二波 2015-2016:主要是随着国家对半导体集成电路行业的重视,引导了一波上市公司和材料公司转型,投身进入碳化硅领域,比如河北同光(substrate)、世纪金光(substrate)、三安光电(600703.SS;代工)、厦门的芯光润泽等等。

第三波 2018-2020:主要受资本市场和对硬科技创业的热潮驱动,加上碳化硅在电动汽车等应用市场上,特别是特斯拉在Model 3上大胆应用碳化硅,促使各个地区和企业都看好碳化硅的发展前景,大举投资进入这个领域。无论是衬底、外延、还是器件设计和晶圆制造,2020年这一年都涌现出了很多的项目。


遨问:中国碳化硅半导体需要花多长时间才能追赶上电动汽车逆变器的全球玩家?


陈彤:对于碳化硅二极管,本地供应链(从基板到最终器件)已经被客户接受;然而,对于 SiC MOSFET,车企客户转向中国供应商可能还需要 3-4 年的时间。主要的问题还是技术积累。要使 SiC MOSFET 用于 EV 逆变器,需要实现三个关键里程碑。

1.小电流的SiC MOSFET在工业化领域的规模化应用经验,如光伏逆变器、电动汽车充电桩等;

2.开发大电流的SiC MOSFET (比如15毫欧,导通能力单管超过100A以上的器件);

3.开发大功率SiC MOSFET模块(例如将多个100A SiC MOSFET集成到一个模块中,形成下游客户习惯的1200V650A三相全桥)。


即便是快马加鞭,每个里程碑的实现需要耗费大约1 年的时间,因此要达到电动汽车逆变器的国际巨头过去几年达到的高度,至少还需3-4 年的时间。对于SiC MOSFET,全球一线厂商已经有10年左右的经验,而本土厂商其实只有4年左右的经验,因此这里面的差距是客观存在的,我们是还需要拼命努力的。


遨问:您如何看待GaN在电动汽车领域的机遇?


陈彤: GaN 主要适用于低功率应用,通常低于 500w 或最高一点,低于 1,000w,因此其大多用于消费型电子产品,而不是工业应用。这是因为镓和氮都是比较稀有的元素,所以GaN衬底一方面很难制备,另一方面会有成本太高的问题。异质 GaN-on-silicon、GaN-on-SiC、GaN-on-sapphire 器件适用于低功率或射频应用,不会有太过于严苛的可靠性问题。然而,在大功率应用中,大多是垂直器件,即电流将通过衬底导电,这就需要 考虑衬底和外延的匹配性和稳定性的问题。 考虑到SiC 技术日渐成熟且成本下降,如果GaN技术路线要想进入到高功率领域,面对硅和SiC的双重价格和性能压力,市场上的挑战也就会变得越来越大。因此,我们认为EV 中的 GaN 器件很大程度会继续用于低功率应用,例如充电器、空调控制、车窗控制等。

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