在第三代半導體產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)場上，群雄逐鹿，硝煙彌漫。各大廠商紛紛加碼，力圖在這片新興領域中占據(jù)一席之地。然而，在這個快速發(fā)展和激烈競爭的時期，變數(shù)還有很多！誰能最終勝出，尚未可知。


股價暴跌、市場被蠶食、投資者施壓，

SiC老大Wolfspeed的無奈

手握全球六成SiC襯底材料供應，是第一家大型的8英寸SiC晶圓廠，也是唯一一家純粹的垂直一體化SiC公司，在新能源汽車對 SiC 材料需求旺盛的情況下，Wolfspeed 本應是一家光芒萬丈的公司。然而，Wolfspeed 的股價卻從 2021 年 11 月的峰值 139 美元暴跌至 2024 年 5 月的 25 美元，跌幅高達 82%，股價與市場地位嚴重不符。

作為SiC襯底的先驅(qū)和市場領導者，Wolfspeed近年來經(jīng)歷了頻繁瘦身、業(yè)務轉(zhuǎn)型，成為一家專注于SiC的廠商。但是業(yè)績似乎有點不溫不火。

自2017年到現(xiàn)在，Wolfspeed的營收都沒有超過10億美元。2024財年前三季度的合并收入分別為1.97億美元、2.08億美元、2.01億美元，結(jié)合第四季度的財報預測，大約2024年收入為8億美元。2023財年，Wolfspeed公司的收入為近五年來最高，達到9.219億美元。

然而，Wolfspeed正在實施一項總投資達65 億美元的產(chǎn)能擴張計劃。這種豪賭的策略也導致了財報中的明顯虧損。2023財年，根據(jù)通用會計準則（GAAP）計算，Wolfspeed的凈虧損達到了3.299億美元。2024財年，按照通用會計準則計算，Wolfspeed持續(xù)經(jīng)營部門的凈虧損目標為1.66億美元至1.89億美元。因此，Wolfspeed目前尚未實現(xiàn)盈利。

通過美國莫霍克谷工廠的建設，Wolfspeed在從6英寸晶圓向8英寸晶圓過渡方面具有先發(fā)優(yōu)勢。莫霍克谷工廠已經(jīng)開始貢獻收入，2024財年的前三季度分別貢獻了400萬美元、1200萬美元、約2,800萬美元的收入，較上一季度增長超過兩倍多。

從Wolfspeed霍克谷8英寸工廠的利用率來看，并不是很高，4月份的時候剛剛達到16%的利用率，該公司預計到2024年6月將實現(xiàn)20%的利用率。這說明一大部分產(chǎn)能處于閑置狀態(tài)，因此Wolfspeed的毛利率很低，2024財年前三季度大約都在15% 左右。晶圓廠本身就具有巨大的折舊成本，按照這個利用率的情況來看，這將導致單位生產(chǎn)的晶圓成本增加，資金回報率也會低。

前景廣闊的SiC市場，瑞薩和英飛凌與WolfSpeed的長約、不斷創(chuàng)紀錄的功率器件設計營收記錄（2024財年前三季度WolfSpeed這部分的營收分別是22億美元、21億美元、28億美元）、利用率不斷增高的霍克谷工廠，并沒有得到投資者的買賬。

巨額資本支出和緩慢的投資回報，投資者有點坐不住了。Wolfspeed的一個大股東Jana Partners甚至給Wolfspeed董事會發(fā)信要其考慮出售的方案來改善股東的價值回報。并且，Jana還呼吁董事會為 Wolfspeed 位于莫霍克谷和錫勒城的兩家芯片制造工廠制定并執(zhí)行指標和關鍵里程碑，并為未來支出確定“明確的融資路徑”，包括CHIPS法案資金。對此，Wolfspeed董事會表示將仔細審查JANA的信件。

盡管Wolfspeed正在推動8英寸晶圓產(chǎn)能的增長，但6英寸SiC晶圓相對于市場其他產(chǎn)品而言正變得更具成本競爭力。“SiC 制造很復雜，過渡到 8 英寸也很困難。即使主要SiC器件制造商轉(zhuǎn)向8英寸，我們也不認為8英寸會成為未來五年的主要平臺。”Yole Group 半導體基板和材料高級技術和市場分析師Poshun Chiu表示。

因此，該WolfSpeed的份額被進入該市場的中國企業(yè)搶走，經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，中國企業(yè)正在迅速搶占6英寸SiC市場。

據(jù)日本權威行業(yè)調(diào)研機構(gòu)富士經(jīng)濟發(fā)布的《2024版下一代功率器件&相關市場現(xiàn)狀及未來展望》報告，2023年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底材料市場占有率前三的公司有1家來自中國，天岳先進（SICC）超過千年老二高意(Coherent)躍居全球第二，僅次于Wolfspeed。

2023年度天岳先進實現(xiàn)營業(yè)收入12.51億元，較2022年增長199.90%。公司的2023年年度報告中指出，全球前十大功率半導體企業(yè)超過 50%已成為其客戶，包括拿下了英飛凌、博世等國際知名客戶。天岳先進主要向英飛凌提供 6 英寸導電型襯底和晶棒，占英飛凌需求的兩位數(shù)水平。

綜上，可以看出，Wolfspeed面臨多方面的挑戰(zhàn)，包括來自股東的壓力、中國企業(yè)的激烈競爭，以及8英寸晶圓產(chǎn)能利用率低和毛利率低的問題。未來，Wolfspeed可能需要加快8英寸晶圓產(chǎn)能的提升速度，以提高利用率，并降低生產(chǎn)成本，從而提高毛利率。同時，公司需要加強研發(fā)創(chuàng)新，推出更具競爭力的產(chǎn)品，并積極拓展市場，擴大客戶群。

未來SiC的市場競爭仍然愈發(fā)激烈。各家SiC廠商也有著很明確的目標，意法半導體到2025年實現(xiàn)SiC營收20億美元，2030年營收達50億美元。羅姆在今年調(diào)低了碳化硅的營收預期目標，最新的目標是，預計到2025年SiC收入達到1100億日元（~7億美元），2027年達到2200億日元（~14億美元）。英飛凌預計2025 年SiC 收入將達10 億美元，市占率目標達30%。

GaN產(chǎn)業(yè)并購浪潮來襲，市場競爭加劇

隨著GaN（氮化鎵）材料在射頻、電力電子等領域的廣泛應用，GaN產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢。marketsandmarkets的報告分析，預計2023年全球GaN半導體器件市場規(guī)模將達到211億美元，到2028年將達到283億美元，預測期內(nèi)復合年增長率為6.1%。為了搶占市場份額，提升技術實力，全球各大芯片廠商紛紛加碼GaN領域的投資，并掀起了一股并購狂潮。

Yole表示，雖然目前消費行業(yè)是功率氮化鎵的最大市場領域，但汽車市場將會在未來幾年迎來最顯著的增長。多家公司正在努力為電動汽車（EV）提供 GaN 系統(tǒng)。Yole Group預測，到2028年，汽車GaN領域的價值將達到5.04億美元，復合年均增長率為110%。

繼去年英飛凌收購氮化鎵系統(tǒng)（GaN Systems）之后，1月11日，日本半導體大廠瑞薩電子發(fā)布公告稱，將以每股5.10美元的價格收購Transphorm，總估值約為3.39億美元。這是功率氮化鎵行業(yè)一年內(nèi)發(fā)生的第二起重大收購案。該交易預計將于2024年下半年完成，具體取決于Transphorm股東的批準、所需的監(jiān)管許可以及其他慣例成交條件的滿足。

瑞薩收購Transphorm就是為了開發(fā)增強型電動汽車電源解決方案。GaN Systems在汽車領域也有很大優(yōu)勢，這也是英飛凌在2023年收購該公司的主要原因。因此，在汽車行業(yè)高利潤的推動下，預計在快速發(fā)展的功率GaN生態(tài)系統(tǒng)中將出現(xiàn)更多并購。

從技術路徑上來看，垂直GaN，也就是GaN-On-GaN，是GaN市場中的一個高地。據(jù)悉。垂直GaN的性能和成本水平是碳化硅 (SiC) 的10倍，有望取代SiC，成為新興的高壓功率開關半導體材料的選擇。然而垂直GaN企業(yè)活的卻并沒有那么光彩。

2024年1月4日，位于美國紐約州德威特的NexGen Power Systems，在2023年圣誕節(jié)前夕倒閉，而其旗下總投資超過1億美元的晶圓廠也已關閉。NexGen主要研發(fā)垂直GaN (GaN-on-GaN)半導體技術，還是CHIPS法案旨在幫助的公司。NexGen剛開始交付用于高功率應用的全球首批700V和1200V垂直GaN器件的工程樣品，其關閉是如此突然。

3月13日，又一家美國垂直GaN器件廠商Odyssey在官網(wǎng)宣布，他們已與客戶簽署最終協(xié)議，將以952萬美元（約合人民幣0.67億）現(xiàn)金，將其大部分資產(chǎn)出售給一家大型半導體公司，當時買家信息處于保密狀態(tài)。Odyssey是一家總部位于美國紐約州的垂直GaN器件企業(yè)，運營著一座占地 10,000 平方英尺的半導體晶圓制造工廠，還可以提供代工服務。

5月7日，隨著Power Integrations宣布，他們收購了氮化鎵企業(yè)Odyssey Semiconductor 的資產(chǎn)。這筆交易也浮出了水面，該交易預計將于 2024 年 7 月完成，之后 Odyssey 的所有主要員工預計將加入 Power Integrations。根據(jù)《2023氮化鎵產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，PI公司是全球營收排名第二的氮化鎵企業(yè)。

3月1日，總部位于新加坡的射頻GaN芯片供應商Gallium Semiconductor也釋放出了倒閉的信號，并解雇所有員工。Gallium Semiconductor是一家為蜂窩通信領域射頻、微波及相關應用提供高性能GaN基射頻半導體的全球供應商。關閉的緣由是因為其唯一投資者兼母公司GaasLabs LLC的創(chuàng)始人約翰·奧坎波 (John Ocampo) 于 2023 年11月去世，GaasLabs 選擇不再繼續(xù)提供財務支持，導致該公司關閉。

好在，后來射頻芯片廠商Guerrilla RF將Gallium Semiconductor收入麾下。Guerrilla RF成立于2013年，總部位于北卡羅來納州格林斯伯勒，開發(fā)和制造高性能單片微波集成電路（MMIC）。4月29日，Guerrilla RF公司宣布，已完成對Gallium Semiconductor整個GaN功率放大器和前端模塊產(chǎn)品組合的收購。自2024年4月26日起，GUER收購了所有已發(fā)布的組件以及Gallium Semiconductor正在開發(fā)的新核心。此外，所有相關的知識產(chǎn)權（IP）也已作為此次組合收購的一部分轉(zhuǎn)讓給GUER。

GUER的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Ryan Pratt評論道：“隨著公司不斷發(fā)展為RFIC和MMIC供應商，將GaN技術整合到我們不斷擴展的產(chǎn)品組合中是至關重要的。GaN代表了我們?yōu)槟繕耸袌鎏峁┩暾盘栨湹年P鍵進步。”通過整合這些資產(chǎn)，公司計劃大力推動新一代GaN器件的開發(fā)和商業(yè)化，這些器件主要面向無線基礎設施、軍事和衛(wèi)星通信應用。

GaN行業(yè)掀起的并購狂潮反映了市場對該技術的高度認可，這些并購案例表明，GaN產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入了強強聯(lián)合、優(yōu)勢互補的新階段。通過并購，芯片廠商可以快速獲取對方在技術、人才、市場等方面的優(yōu)勢，從而提升自身的競爭力。


氮化鎵和碳化硅：它們的競爭領域

在高壓功率晶體管市場，氮化鎵器件在400伏左右以下的應用中占據(jù)主導地位，而碳化硅現(xiàn)在在800伏及以上的應用中具有優(yōu)勢（2000伏左右以上的市場相對較小）。隨著GaN器件的改進，400至1,000V之間的重要戰(zhàn)場格局將發(fā)生變化。例如，隨著1,200V GaN晶體管的推出（預計在2025年推出），電動汽車逆變器這個最重要的市場將加入這場戰(zhàn)斗。

SiC和GaN將大大減少排放。根據(jù)2007年創(chuàng)立的GaN器件公司Transphorm對公開數(shù)據(jù)的分析，到2041年，僅基于GaN的技術就可以在美國和印度減少超過10億噸的溫室氣體排放。數(shù)據(jù)來自國際能源署、Statista 和其他來源。相同的分析表明可節(jié)省1,400太瓦時的能源，即兩國當年預計能源消耗的10%至15%。

寬帶隙的優(yōu)勢

與普通晶體管一樣，功率晶體管可以充當放大設備或開關。放大作用的一個重要例子是無線基站，它放大信號以傳輸?shù)街悄苁謾C。在全世界，用于制造這些放大器中的晶體管的半導體正在從稱為橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 的硅技術轉(zhuǎn)向 GaN。新技術具有許多優(yōu)勢，包括能效提高 10%或更多取決于頻率。另一方面，在功率轉(zhuǎn)換應用中，晶體管充當開關而不是放大器。標準技術稱為脈寬調(diào)制。例如，在常見類型的電機控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機轉(zhuǎn)子上的線圈。這些脈沖建立了一個磁場，該磁場與電機定子的磁場相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)的速度是通過改變脈沖的長度來控制的：這些脈沖的圖形是一個方波，脈沖“開”而不是“關”的時間越長，電機提供的轉(zhuǎn)速和扭矩就越大。功率晶體管完成開關。

脈寬調(diào)制也用于開關電源，這是最常見的電源轉(zhuǎn)換示例之一。開關電源是為幾乎所有以直流電運行的個人電腦、移動設備和電器供電的類型。基本上，輸入的交流電壓被轉(zhuǎn)換為直流，然后該直流被“斬波”為高頻交流方波。這種斬波是由功率晶體管完成的，它通過打開和關閉直流電來產(chǎn)生方波。方波被施加到變壓器，變壓器改變波的幅度以產(chǎn)生所需的輸出電壓。為了獲得穩(wěn)定的直流輸出，來自變壓器的電壓經(jīng)過整流和濾波。

這里的重點是，功率晶體管的特性幾乎完全決定了電路執(zhí)行脈寬調(diào)制的能力，因此也決定了控制器調(diào)節(jié)電壓的效率。理想的功率晶體管在處于關斷狀態(tài)時會完全阻斷電流，即使在施加的電壓很高時也是如此。這種特性稱為高電擊穿場強，它表示半導體能夠承受多大的電壓。另一方面，當它處于導通狀態(tài)時，這種理想晶體管對電流的流動阻力非常小。這一特征源于半導體晶格內(nèi)電荷（電子和空穴）的非常高的遷移率。將擊穿場強和電荷遷移率視為功率半導體的陰陽。

與它們所取代的硅半導體相比，GaN和SiC更接近這一理想狀態(tài)。首先，考慮擊穿場強。GaN和SiC都屬于寬帶隙半導體。半導體的帶隙定義為半導體晶格中的電子從價帶躍遷到導帶所需的能量，以電子伏特為單位。價帶中的電子參與晶格內(nèi)原子的鍵合，而導帶中的電子可以在晶格中自由移動并導電。

在具有寬帶隙的半導體中，原子之間的鍵很強，因此材料通常能夠在鍵斷裂之前承受相對較高的電壓，據(jù)說晶體管會損壞。與GaN的3.40eV相比，硅的帶隙為1.12電子伏特。對于最常見的SiC類型，帶隙為3.26eV。[見下表，“Bandgap Menagerie”]

運行速度和阻斷高壓的能力是功率晶體管的兩個最重要的特性。這兩種品質(zhì)又由用于制造晶體管的半導體材料的關鍵物理參數(shù)決定。速度取決于半導體中電荷的遷移率和速度，而電壓阻斷則取決于材料的帶隙和電擊穿場。

現(xiàn)在讓我們看看遷移率，它以平方厘米/伏秒 (cm2/V·s)為單位。遷移率和電場的乘積產(chǎn)生電子的速度，速度越高，對于給定數(shù)量的移動電荷，攜帶的電流就越大。對于硅，這個數(shù)字是1,450；對于SiC，它約為950；對于GaN，約為2,000。GaN異常高的價值是它不僅可以用于功率轉(zhuǎn)換應用，還可以用于微波放大器的原因。GaN晶體管可以放大頻率高達100GHz 的信號——遠高于通常被認為是硅LDMOS最大值的3至4GHz。作為參考，5G 的毫米波頻率最高可達52.6GHz。這個最高5G頻段尚未廣泛使用，但是，高達75GHz的頻率正在部署在dish to dish通信中，研究人員現(xiàn)在正在使用高達140GHz 的頻率進行室內(nèi)通信。對帶寬的需求是無法滿足的。

這些性能數(shù)據(jù)很重要，但它們并不是針對任何特定應用比較 GaN 和 SiC 的唯一標準。其他關鍵因素包括設備及其集成系統(tǒng)的易用性和成本。總而言之，這些因素解釋了這些半導體中的每一種在何處以及為何開始取代硅——以及它們未來的競爭可能如何擺脫困境。


國產(chǎn)碳化硅設備進展“喜人”

以碳化硅為代表的第三代半導體的快速崛起，正在成為我國8英寸半導體設備商的新機遇。

在SEMICON China 2024展會上，碳化硅長晶爐、碳化硅量測檢測設備、碳化硅零部件等領域均有廠商亮相。比如，志橙股份攜旗下碳化硅外延設備、MOCVD設備、碳化硅涂層石墨零部件等解決方案亮相；中機新材攜碳化硅晶圓切磨拋耗材方案中的大部分樣品供與會人員參觀了解。

“碳化硅產(chǎn)業(yè)方興未艾，對半導體產(chǎn)業(yè)鏈公司而言，這不僅是新興的市場，更是新興的創(chuàng)新機遇。”有半導體業(yè)內(nèi)人士對記者表示，在硅半導體領域，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈是跟隨全球先進發(fā)展，從設備到材料全產(chǎn)業(yè)鏈都是復制已有的產(chǎn)品，走的是“替代”邏輯。但碳化硅作為一種新型材料，中國與全球幾乎站在同一個起跑線上，這讓全產(chǎn)業(yè)鏈公司有了“創(chuàng)新”發(fā)展的機會。

事實上，在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上，中國已經(jīng)跑出來一批明星公司。富士經(jīng)濟發(fā)布的報告顯示，在2023年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底材料市場占有率排行中，天岳先進超過美國Coherent，躍居全球第二，顯示出強勁的市場競爭力。

部分初創(chuàng)公司成為一級市場的“寵兒”，其發(fā)展表現(xiàn)可圈可點。比如，致力于半導體量測檢測設備的優(yōu)睿譜，已經(jīng)在FTIR（傅里葉變換紅外光譜測量設備）上迫使國際廠商開打價格戰(zhàn)，并量產(chǎn)交付了碳化硅自動光學位錯微管檢測設備SICD系列等。專注于碳化硅外延爐業(yè)務的芯三代半導體科技（蘇州）有限公司已于2月份啟動上市輔導。

風頭正勁的碳化硅，還吸引了硅基半導體設備頭部廠商，這給擁有8英寸半導體設備產(chǎn)品線的公司帶來新的機遇。

在本次展會的同期論壇上，北方華創(chuàng)介紹了其碳化硅系列設備。晶盛機電展示了6英寸、8英寸碳化硅晶體生長技術。華卓精科展示了晶圓鍵合設備、8英寸碳化硅激光退火設備、精密運動平臺、靜電卡盤等產(chǎn)品。

當前，碳化硅從6英寸向8英寸進化的步伐正在加快，天岳先進、晶盛機電、天科合達、山西爍科等頭部廠商均在8英寸碳化硅襯底片研發(fā)量產(chǎn)上取得相應進展，各大廠商均積極擴產(chǎn)。