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隨著世界對(duì)通信、傳感和功率效率的要求越來(lái)越高，到2027年，CS（化合物半導(dǎo)體）襯底材料市場(chǎng)將翻一番以上，與硅相比，預(yù)計(jì)用于功率應(yīng)用的SiC（碳化硅）的市場(chǎng)份額將大幅增加。這是Yole Group旗下Yole Intelligence《2022年化合物半導(dǎo)體現(xiàn)狀》的觀點(diǎn)。所有的大趨勢(shì)（電氣化、5G/6G、云計(jì)算……）都在其路線圖中增加了化合物半導(dǎo)體器件的使用。
用于RF（射頻）GaN的襯底包括硅和SiC，而用于功率GaN的襯底包括硅和藍(lán)寶石。從市場(chǎng)預(yù)測(cè)看，這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿φ娴暮苷T人，不過(guò)，要參與這一賽道的競(jìng)爭(zhēng)卻不是一件容易的事情，因?yàn)橹蒙砥渲械膹S商已經(jīng)是你中有我，我中有你的卷在一起。
CS襯底市場(chǎng)的演變
跨越兩代的化合物半導(dǎo)體
化合物半導(dǎo)體是區(qū)別于單質(zhì)半導(dǎo)體的材料，它是由兩種或兩種以上元素、以確定的原子配比形成的化合物，其具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)。Si（硅）、Ge（鍺）等都是單質(zhì)半導(dǎo)體材料，而GaAs（砷化鎵）、GaN（氮化鎵）、SiC（碳化硅）、InP（磷化銦）等是化合物半導(dǎo)體。
過(guò)去幾十年，半導(dǎo)體經(jīng)歷了三代更迭，第一代以硅為代表，第二代以GaAs、InP為代表，GaN和SiC是第三代半導(dǎo)體的代表。相比第一代單質(zhì)半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體具備高功率密度、低能耗、耐高溫、高發(fā)光效率等特性，在RF、功率器件、光電子及國(guó)防軍工等應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著。另外，新興的第四代半導(dǎo)體（Ga2O3等）也一直在研發(fā)當(dāng)中，目前在國(guó)防軍工等應(yīng)用領(lǐng)域已顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。
GaAs具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為PA（功放）和開(kāi)關(guān)的主流材料；GaN主要應(yīng)用于通信基站、功率器件等領(lǐng)域，功放效率高、功率密度大，可節(jié)省大量電能，同時(shí)減小基站體積和質(zhì)量；SiC主要用于大功率高頻功率器件，未來(lái)10年內(nèi)將大范圍應(yīng)用于需要高功率、小體積的電動(dòng)汽車、牽引系統(tǒng)及工業(yè)領(lǐng)域。
化合物半導(dǎo)體的制造過(guò)程與硅基工藝差不多，包括設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)，其中最重要的是襯底外延工藝。不同之處在于，在化合物半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中，半導(dǎo)體企業(yè)更愿意采用IDM（垂直整合制造）商業(yè)模式——從設(shè)計(jì)、制造到器件的封裝測(cè)試的完整一條龍工藝，而且都擁有自己的品牌。
具體講，化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈由襯底加工、外延片生產(chǎn)、芯片制造和器件封裝組成。產(chǎn)業(yè)鏈上游主要涉及的設(shè)備包括：生長(zhǎng)晶錠的單晶爐、加工襯底片的多線切割機(jī)、制造外延片的MOCVD（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）設(shè)備。
MOCVD是在VPE（氣相外延生長(zhǎng)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)。它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)原材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(zhǎng)各種Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半導(dǎo)體及其多元固溶體的薄層單晶材料。作為化合物半導(dǎo)體行業(yè)上游技術(shù)最復(fù)雜的重要環(huán)節(jié)，具有設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的企業(yè)十分有限。
MOCVD設(shè)備廠商的下游產(chǎn)業(yè)鏈包括外延片生產(chǎn)、芯片設(shè)計(jì)、晶圓代工、封裝測(cè)試等，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要大量的專門知識(shí)，包括不同材料特性、不同工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，以及復(fù)雜的電路器件設(shè)計(jì)等。行業(yè)中的參與者需要不斷進(jìn)行研發(fā)，以保證產(chǎn)品在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。
化合物半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的眾多公司
功率和光子學(xué)應(yīng)用推升化合物襯底
Yole Intelligence預(yù)測(cè)，受功率和光子學(xué)應(yīng)用的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)，化合物襯底材料市場(chǎng)將從2021年的9.45億美元增長(zhǎng)到2027年的24億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為16%。
在過(guò)去幾十年里，化合物半導(dǎo)體已經(jīng)被用于各種應(yīng)用。最近幾年，功率領(lǐng)域的SiC和GaN、RF領(lǐng)域的GaN和GaAs、光子領(lǐng)域的GaAs和InP，以及顯示器中的LED和μLED（MicroLED）都獲得了強(qiáng)勁的勢(shì)頭，因此，襯底和外延片市場(chǎng)預(yù)計(jì)將相應(yīng)增長(zhǎng)。IHS也預(yù)測(cè)，到2025年SiC功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到30億美元。
不同應(yīng)用領(lǐng)域化合物半導(dǎo)體襯底市場(chǎng)預(yù)測(cè)（單位：百萬(wàn)美元）
化合物勢(shì)力范圍不斷擴(kuò)張
為了增加良率，降低器件成本，襯底正在向更大的直徑轉(zhuǎn)變，襯底制造商可能會(huì)通過(guò)既提供外延片，又提供器件進(jìn)入供應(yīng)鏈的下一個(gè)層次。Wolfspeed是功率SiC和RF GaN的領(lǐng)先SiC襯底和外延片供應(yīng)商。由于更大尺寸的襯底是下一代器件制造的戰(zhàn)略資源，未來(lái)10年要實(shí)現(xiàn)的宏偉目標(biāo)是8英寸晶圓廠的投產(chǎn)和擴(kuò)大材料產(chǎn)能。
在光子學(xué)領(lǐng)域，并購(gòu)正在幫助在傳感和電信/數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的公司獲得更多市場(chǎng)份額，并增強(qiáng)了InP和GaAs領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。在這一進(jìn)程中，2022年7月SiC大廠高意集團(tuán)（II-VI）完成對(duì)Coherent的收購(gòu)，并將公司更名為Coherent，重心轉(zhuǎn)向更廣泛的InP和GaAs材料、組件和系統(tǒng)。合并后的Coherent成為了領(lǐng)先的光子學(xué)器件制造商，也是功率和RF應(yīng)用的領(lǐng)先SiC襯底供應(yīng)商。
此外，該公司還與市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者SEDI（住友電氣器件創(chuàng)新公司）建立了垂直整合的6英寸GaN-on-SiC晶圓平臺(tái)，合作制造RF GaN器件，并與GE（通用電氣）一起進(jìn)入功率SiC器件業(yè)務(wù)，加強(qiáng)從襯底到器件層面的競(jìng)爭(zhēng)力。
早在2020年，當(dāng)時(shí)的II-VI就與GE簽署了大規(guī)模專利許可協(xié)議，以共享后者的專利技術(shù)，共同開(kāi)發(fā)SiC器件和模塊并由II-VI進(jìn)行量產(chǎn)，將其應(yīng)用于飛機(jī)以外的各個(gè)行業(yè)。通過(guò)垂直整合SiC產(chǎn)業(yè)鏈，II-VI在具備SiC襯底技術(shù)的基礎(chǔ)上，將提供應(yīng)用于OBC（車載充電器）和電動(dòng)汽車電機(jī)的SiC器件和模塊。2022年2月，II-VI在自有高質(zhì)量SiC襯底上制作的1200V SiC MOSFET滿足了嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)，并與GE研究院簽署為期三年的技術(shù)準(zhǔn)入?yún)f(xié)議，與該實(shí)驗(yàn)室的世界級(jí)SiC模塊技術(shù)和專家團(tuán)隊(duì)合作加速客戶設(shè)計(jì)導(dǎo)入。
2022年8月，光學(xué)元件供應(yīng)商Lumentum收購(gòu)了激光器制造商N(yùn)eoPhotonics，獲得了數(shù)據(jù)中心使用的GaAs器件專業(yè)知識(shí)，以加強(qiáng)新興應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)力，涵蓋智能手機(jī)和激光雷達(dá)中的3D傳感、μLED以及5G到6G的過(guò)渡。尤其是在消費(fèi)3D傳感市場(chǎng)，科技巨頭蘋果用基于InP的接近傳感器取代了傳統(tǒng)的GaAs VCSEL，以縮小iPhone 14的劉海尺寸，促使某些傳統(tǒng)GaAs廠商將其產(chǎn)品組合擴(kuò)展到InP。
另一方面，μLED也是GaAs光子學(xué)市場(chǎng)的一個(gè)重要增長(zhǎng)載體，有幾家公司從蘋果進(jìn)軍μLED業(yè)務(wù)中受益。2022年4月，Ams Osram（艾邁斯歐司朗）宣布在馬來(lái)西亞建造一座耗資8億歐元的μLED晶圓廠，將于2024年投入大規(guī)模生產(chǎn)，為蘋果提供用于智能手表的μLED顯示屏。芯片設(shè)備制造商Aixtron（愛(ài)思強(qiáng)）將為Ams osram提供8英寸MOCVD反應(yīng)器。
GaAs、InP和半絕緣SiC襯底的領(lǐng)先供應(yīng)商包括AXT、Sumitomo Electric（住友電氣）、Freiberger和中國(guó)的SICC（天岳先進(jìn)），前三家合計(jì)約占全球半絕緣SiC襯底90%市場(chǎng)份額。這些廠商收入增長(zhǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴于將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到其他化合物材料。而目前AXT和Freiberger已經(jīng)展示了8英寸GaAs襯底，并正在競(jìng)爭(zhēng)成為蘋果的主要供應(yīng)商。
為蘋果公司提供GaAs VCSEL的廠商，如Lumentum和Coherent都已經(jīng)具備了InP生產(chǎn)能力，涵蓋數(shù)據(jù)通信、電信應(yīng)用和消費(fèi)電子。在針對(duì)VCSEL的InP和GaAs方面，Coherent處于IDM商業(yè)模式，Lumentum則截然不同，其研發(fā)在內(nèi)部進(jìn)行，在為蘋果供應(yīng)器件之前，利用IQE和Win Semiconductors等代工廠制造。這一模式有助于應(yīng)對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)需求的季節(jié)性。而另一些公司正試圖在材料領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，或在襯底、外延片或工藝等不同層面進(jìn)入市場(chǎng)。
除了Wolfspeed和Coherent從襯底擴(kuò)展到SiC器件之外，Win Semiconductor和Freiberger也在努力獲得光子InP市場(chǎng)的業(yè)務(wù)。在VCSEL需求的推動(dòng)下，在光電子GaAs工藝方面處于領(lǐng)先地位的Win Semiconductor正在其代工廠中引入InP，而Freiberger則希望將GaAs襯底方面的領(lǐng)先地位擴(kuò)大到InP。
化合物半導(dǎo)體應(yīng)用發(fā)展的拐點(diǎn)
IDM整合愈演愈烈
車輛的電氣化和高壓應(yīng)用正在推動(dòng)對(duì)SiC材料的需求，主要參與者一直在采取行動(dòng)來(lái)確?；蛟黾悠湟r底供應(yīng)，因此，器件端向上游的收購(gòu)愈演愈烈。
2021年，安森美收購(gòu)了美國(guó)SiC材料制造商GT Advanced Technologies。同年，中國(guó)三安半導(dǎo)體斥資25億美元在開(kāi)設(shè)了一條SiC生產(chǎn)線，覆蓋從晶體生長(zhǎng)到功率器件、封裝和測(cè)試的整個(gè)供應(yīng)鏈，以提高其在功率電子領(lǐng)域的市場(chǎng)份額。
SiC襯底、外延片和工藝領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者Wolfspeed最近宣布在德國(guó)建設(shè)一個(gè)新的8英寸SiC工廠，以鞏固其領(lǐng)先地位并擴(kuò)展到SiC器件市場(chǎng)。半導(dǎo)體巨頭英飛凌于2022年與歐洲汽車制造商Stellantis合作，價(jià)值超過(guò)10億歐元的交易將加強(qiáng)英飛凌的制造能力，并在本世紀(jì)后半葉成為Stellantis的SiC芯片供應(yīng)商。
RF GaN市場(chǎng)預(yù)計(jì)規(guī)模將會(huì)增長(zhǎng)，但市場(chǎng)份額不會(huì)增長(zhǎng)，部分原因是2019年美國(guó)對(duì)華為的制裁影響了GaN-on-SiC供應(yīng)鏈。2023年，由于印度等國(guó)的5G基站市場(chǎng)的發(fā)展，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將再次獲得增長(zhǎng)勢(shì)頭。
采用GaN-on-Si平臺(tái)的Navitas是功率GaN行業(yè)的第一家獨(dú)角獸公司。2022年8月，該公司收購(gòu)了GeneSiC，成為既有GaN也有SiC技術(shù)的功率半導(dǎo)體公司。2023年3月，英飛凌簽署協(xié)議將以8.3億美元收購(gòu)GaN Systems，這是迄今為止功率GaN行業(yè)最大的一筆交易，約占英飛凌功率電子收入的18%，是截至2022年整個(gè)功率GaN市值的4倍。
Wolfspeed在SiC和RF GaN襯底方面的主導(dǎo)地位意味著，所有主要器件制造商都與該公司合作以確保供應(yīng)，這反過(guò)來(lái)又有助于其確保器件層面的業(yè)務(wù)。截至2023年，在功率SiC和RF GaN方面都具備競(jìng)爭(zhēng)力的其他公司還有Coherent和SICC。
玩家祭出協(xié)同策略
所有參與者都對(duì)GaAs和InP襯底在RF、光子學(xué)和μLED應(yīng)用中的協(xié)同作用趨之若鶩。而半絕緣SiC襯底的參與者正在進(jìn)入n型SiC，以獲得更高增長(zhǎng)率的市場(chǎng)。半絕緣SiC襯底主要用來(lái)制作微波RF器件，用于5G通信、雷達(dá)等高頻應(yīng)用領(lǐng)域；導(dǎo)電型襯底則用來(lái)制作功率器件，用于新能源汽車、光伏發(fā)電等高壓應(yīng)用領(lǐng)域。
InP和GaAs光子學(xué)兩位數(shù)的復(fù)合年增長(zhǎng)率代表了其可觀的市場(chǎng)規(guī)模，其中μLED是一個(gè)蓬勃發(fā)展的市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在未來(lái)五年內(nèi)每年都會(huì)翻倍。外延片供應(yīng)商正受益于化合物外延片市場(chǎng)的開(kāi)放，作為生產(chǎn)GaAs和InP襯底的Ⅲ-Ⅴ族
材料化合物外延晶圓公司，IQE已涉足各個(gè)市場(chǎng)（如RF GaAs和GaN）；而中國(guó)臺(tái)灣VPEC（全新光電）已成為開(kāi)放市場(chǎng)上最大的RF GaAs外延片供應(yīng)商，力圖繼續(xù)增加光子學(xué)領(lǐng)域的參與，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)增長(zhǎng)。
在眾多化合物半導(dǎo)體公司中，排名前十的公司在生態(tài)系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，要么是特定領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，要么參與了許多領(lǐng)域，或擁有一些未來(lái)的產(chǎn)品。這既表明了一個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)能力，也體現(xiàn)了不同化合物半導(dǎo)體之間的協(xié)同作用，特別是代工能力。
著名化合物半導(dǎo)體公司市場(chǎng)定位
化合物廠商與晶圓廠之間一直在追求一種協(xié)同效應(yīng)。功率SiC和光子學(xué)市場(chǎng)的增長(zhǎng)帶來(lái)了增加制造能力的需求，正在為硅晶圓廠創(chuàng)造機(jī)會(huì)。數(shù)十年來(lái)，隨著化合物玩家不斷擴(kuò)大產(chǎn)能，從2英寸、3英寸和4英寸平臺(tái)轉(zhuǎn)移到6英寸或8英寸平臺(tái)，硅晶圓廠一直在努力使用更大直徑的晶圓，與化合物廠商形成協(xié)同效應(yīng)。
現(xiàn)在，之前只致力于較小直徑化合物的IntelliEPI、GCS和Sanan IC等公司已開(kāi)始考慮采用6或8英寸來(lái)保持成本競(jìng)爭(zhēng)力，而臺(tái)積電、GlobalFoundries、英特爾和Vanguard等硅晶圓廠早就建立了可用于化合物制造的6英寸和8英寸硅工藝。
化合物半導(dǎo)體的明天
隨著LED、手機(jī)功率放大器以及電信和數(shù)據(jù)通信的發(fā)展，化合物半導(dǎo)體在20世紀(jì)90年代經(jīng)歷了GaAs和InP的第一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。伴隨對(duì)5G連接、電動(dòng)汽車和智能手機(jī)快速充電器的需求，化合物半導(dǎo)體的銷量和市值都在增長(zhǎng)。
展望未來(lái)，電動(dòng)出行和更高電壓的應(yīng)用、各種終端系統(tǒng)中傳感、5G到6G的過(guò)渡以及μLED顯示器，都將為不同的化合物半導(dǎo)體材料帶來(lái)巨大潛力，特別是更多新興襯底的新應(yīng)用。
化合物半導(dǎo)體無(wú)處不在
根據(jù)Yole預(yù)計(jì)，到2027年功率應(yīng)用SiC將成為最大的行業(yè)，其復(fù)合年增長(zhǎng)率為21-25%，在化合物半導(dǎo)體襯底中的市場(chǎng)份額將增加約50%。光子學(xué)InP市場(chǎng)份額也將增加，并以20%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。第三個(gè)主要市場(chǎng)是RF GaN也將保持其市場(chǎng)份額，包括硅襯底和SiC襯底，隨著其他應(yīng)用的增長(zhǎng)，將繼續(xù)以11%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
總之，隨著高功率器件的需求不斷推動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展，化合物襯底市場(chǎng)正在增長(zhǎng)，并不斷見(jiàn)證化合物玩家進(jìn)入不同的材料領(lǐng)域。
