硅基氮化鎵的投資思考

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2022-03-17 08:58:11 20

國內氮化鎵賽道的投資價值
一、氮化鎵賽道的投資價值 第三代半導體的材料特性帶來其對硅基功率器件部分市場的逐步替代，這一點不斷通過市場應用的驗證，已基本成為共識。相比碳化硅，目前硅基氮化鎵的主要劣勢包括耐壓等級低和缺乏可靠性的驗證數據。另外，由于硅基氮化鎵整體產值低，尚未形成規模效應，導致成本相比碳化硅并沒有形成優勢。但目前硅基氮化鎵廠商正在通過外延、器件結構、驅動控制電路推動產品向高耐壓（目前已有1200v的產品）和高可靠性（目前已有高壓器件的理想可靠性數據）不斷演進，且氮化鎵器件的售價已經逼近硅MOS，產品性能、品質、成本不斷逼近甜蜜點。另外，相比碳化硅， 硅基氮化鎵材料本身可以提供更高的電源效率和更低的成本，在600V至1200V區間，硅基氮化鎵會成為非常具備競爭優勢的技術方向。 另外，隨著碳化硅在汽車、光伏市場的不斷應用，國內外動不動幾十億甚至上百億產值的投資，直觀感受感覺碳化硅的市場規模很大，而用于小小充電頭的氮化鎵感覺市場規模要小很多。根據Yole發布的數據，2025年碳化硅的市場規模為25億美金，2026年氮化鎵市場規模預測數據為10億美金，乍一看確實碳化硅的整體產值確實是氮化鎵的好幾倍。 但碳化硅和硅基氮化鎵對于國內大部分企業的機會產值實際相當： 一是考慮襯底的產值。成本結構不同，沒有襯底環節的碳化硅企業機會產值大打折扣。 碳化硅襯底的成本約50%，外延片的成本約20%，器件制造封測的成本是30%。而氮化鎵的襯底成本基本忽略不計，外延50%，剩余的器件產值比例更高。 二是考慮車規的產值。市場需求不同，碳化硅重在車規，氮化鎵重在消費。根據Yole發布的數據，預計2025年電動汽車市場需求占比約為61%。根據Yole的數據，氮化鎵的市場需求中消費級占比約為70%。目前看，國內碳化硅廠商在車規市場實現大規模的應用還有較長的路需要走。 三是考慮MOS的產值。 國內碳化硅企業，目前還主要集中在SBD的市場，MOS尚鮮有出貨。 根據Yole發布的數據，2022年后MOS的產值將占到一半以上，隨著后期市場主要由電動車推動，MOS的比例還將繼續提高。但由于碳化硅MOS本身可靠性和工藝來源的問題，國內廠商距離放心大膽開展大規模推廣應用，還有較大的難度。綜上所述，國內碳化硅企業若刨除襯底材料、車規市場、非車規MOS所對應的產值，其機會產值和硅基氮化鎵相比，實際并沒有太大區別。疊加氮化鎵和碳化硅30%和70%的市場增速，硅基氮化鎵從行業規模的角度是一個很好的賽道。肌肉男碳化硅和閃電俠氮化鎵的重點分別在工業和消費級市場（總體來看），品質要求、市場定價、市場導入周期的不同這里不詳細展開， 但整體來看，主攻消費級的應用的氮化鎵，市場彈性會更高一些。 另外，由于碳化硅功率的發展階段相對成熟，國內從襯底、外延、器件制造、或者是IDM，基本都有了相對公認的那么幾家優質企業，留給創業者的機會窗口要小了一些。
二、國內氮化鎵企業的機會和優勢
（一）“高增速+高集中度”，給新參與者帶來機會 根據Yole發布的數據顯示，2020整體市場規模僅有4600萬美金，2026年預計增長到11億美金，2020年至2026年GaN功率器件市場將保持70%的增速，6年23倍。如此高的行業增速，直接帶來的問題氮化鎵器件的供應鏈穩定性如何保障。目前全球主要出貨廠商Navitas和Pi兩家占到了全球70%以上的市場份額，國內品牌廠商主要采用其中一家的氮化鎵充電方案。 短期看， 上游的供應鏈高度集中，對于大型的品牌電源客戶分散供應鏈風險是剛性需求；長期看，對比目前硅基MOS CR5 65%的市場份額，目前氮化鎵的市場集中度過高，向硅基市場的格局逐步靠近，大概率是時間問題。 （二）目前國內硅基氮化鎵的國內整體水準，相比硅基更有優勢 2019年，國內最大的MOS和IGBT企業華潤微和士蘭微在全球的市占比為3%和2%，而目前氮化鎵賽道英諾賽科出貨量應該已經能排到第三的位置，國內有幾家氮化鎵初創企業雖然出貨較少，但目前整體的技術和產業資源儲備在全球也占據不錯的位置。傳統的功率龍頭，如英飛凌和Ti的硅基氮化鎵產品尚難打開局面，國內硅基氮化鎵行業，雖不說彎道超車，但我們看目前國內企業的全球地位、華人在氮化鎵領域的核心人才儲備，目前整體的進展身位相比硅基確實好很多。 綜上所述，在一個快速做大的蛋糕面前，國內企業有實力、有稟賦分走一塊不小的蛋糕。 02 “集中+封閉”供應鏈，價值和風險
現有供應鏈“集中+封閉”，造成市場由少數供給驅動
現有供應鏈集中。不同于硅基產品，材料和制造環節均已非常成熟，氮化鎵供應鏈目前通過批量驗證的產能很少。國外Foundry主要包括臺積電、富士通、X-Feb，國內主要有三安集成，另外有一些其他的Foundry也在布局。整體來看，國內供應鏈資源非常稀缺。 現有供應鏈封閉。目前全球氮化鎵Foundry主要產能僅服務于一家企業，設計公司和產業鏈呈現強綁定的關系。Navitas作為全球出貨量最大的硅基氮化鎵器件公司，目前基本占用了臺積電全部的氮化鎵產能，其他客戶很難再拿到產能。現有供應鏈的“集中+封閉”導致該市場的集中度非常高，Navitas、Pi、英諾賽科三家掌握核心產能供給的企業驅動著市場，品牌的電源客戶也難有其他的選擇。
供應鏈預計會繼續集中，持續封閉 持續集中 氮化鎵作為是新生技術產品，各個環節的技術發展都還處于較初級的階段，不管是終端客戶還是設計公司，對于上游的供應鏈都持相對謹慎的態度。由于驗證過的技術才是靠譜的，因此一旦有一條完整的產業鏈驗證成熟，設計公司和電源客戶都會向該供應鏈條加速聚集。作為新興技術，整個生態相對還比較初級， 缺乏成熟的第三方外延片提供商，氮化鎵外延和工藝的人才非常稀有，導致企業打通“外延+制造”的產能難度很大。 另外，一個新的供應鏈條的成熟需要通過出貨實現穩定，還有良率的爬坡，這些都需要時間。 外延片從哪里來，目前“外延+制造”深度綁定，幾家批量出貨的Foundry都是自主的外延產能， 因此目前市場上并沒有一家獨立第三方的外延片實現過大批量的出貨。 因此當看待不管是目前正在成熟的氮化鎵Foundry，還是擬籌建的IDM，需要回答的*個問題是外延的解決路徑和驗證時間。 工藝的人才在哪里，硅基氮化鎵的工藝，需要對氮化鎵材料本身的缺點具有充分的理解，這種理解建立在長時間的試錯基礎上，導致目前全球具備該能力的核心人員非常稀缺。目前有一些硅基背景的功率廠商開拓氮化鎵的業務線，氮化鎵背景的工藝人才在哪里是核心關鍵。 現場驗證后迭代，以臺積電的研發經歷來看，其外延、工藝的整體研發過程都是伴隨著產品應用所發現的問題，來反復推動研發的迭代，帶來整個供應鏈的穩定。因此，若沒有充足的現場驗證數據，不管是外延還是工藝，距離成熟還很遠，另外還需要解決批量生產帶來的良率問題。臺積電作為工藝工程能力最強的企業，從開展氮化鎵的研究到穩定量產花了五六年的時間，即便目前整體行業的研發基礎相比前期已有了更好的進展，但是跑通上游的材料和制造環節依舊是一件難度很大的事情， 當我們看待“成熟”的外延和工藝時，一是需要有敬畏之心，二是需要有驗證周期。 持續封閉 由于硅基氮化鎵作為半導體代工的新興領域，從臺積電到國內的三安集成，剛啟動，其氮化鎵的產能規模都不大，因此一旦有一家設計公司跑出來，會占據該企業的大部分產能，且產能對訂單的影響會有很強的共振效應：設計公司出貨量大→產能需求大→Foundry支持大→供應鏈有保障→供應鏈穩定性更高→客戶訂單需求量更大→設計公司出貨量大→產能需求大······
投資思考， 看待一家硅基氮化鎵的公司，長期穩定的上游供應鏈是關鍵。 投出貨最快的Fabless，資源會加速集中，速度慢的風險很大。由于各方面的原因，目前國內Fabless主要依托于國內Foundry，而國內Foundry的外延和工藝都還在逐步成熟的階段，整體產能較小。當前，國內Fabless硅基氮化鎵公司的出貨量還較少，還沒有哪一家對Foundry的產能具備強影響力，因此，一旦有哪家Fabless能夠跑出來拿到規模訂單，鎖定住產能就能占據非常具備優勢的競爭位置，速度慢的Fabless由于拿不到產能風險會很大。 投“外延+制造”技術經驗深厚的IDM，關鍵是能不能做出來，做出來就是全球的稀缺資源。對于IDM來說，能跑通氮化鎵的外延和制造，并滿足良率、可靠性的相關要求，目前來看是很難的一件事情，這一點需要有敬畏之心。但是一旦跑通，能帶來的先發優勢也是非常顯著的。 03 技術路線，看技術，更要看生態
氮化鎵晶體管通過兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的壓電效應形成的二維電子氣來導電，由于二維電子氣只有高濃度電子導電，因此不存在硅MOSFET體二極管反向恢復的問題。這意味著在門極和源極之間不加任何電壓情況下氮化鎵晶體管的漏極和元件之間是導通的，即是常開器件。為了應對這一問題，業界通常有兩種解決方案：一是采用級聯(Cascode)結構，通過串聯一顆MOS來實現關斷控制；二是采用單管增強型（P-GaN）結構，即在門極增加P型氮化鎵外延層來實現關斷控制。兩個技術路線，從技術出發評價，均存在各自的優缺點，難以一分高下。單管增強型結構的主要缺點在于柵極可靠性相對要低、耐壓低，級聯結構的主要缺點在寄生電感帶來的Emi問題。 可靠性。不同的技術路線的柵極的耐沖擊余量不同，P-GaN和Cascode的柵驅動的耐壓等級大概一般約為7v和18V，柵極的開通電壓一般為6v和8v，帶來的直接的問題是P-GaN結構的柵極耐沖擊余量僅約1-2V，對可靠性帶來較大的挑戰，從結構的角度來看，Cascode的可靠性相比P-Gan要高不少，也更加適用于工業級的應用。 耐壓。器件耐壓，Cascode由于有硅管的分壓等原因，器件的耐壓等級相對更高一些，目前P-GaN的器件耐壓還都在650V以下，Cascode能夠達到1200v，可以滿足大量的工業級的電壓需求。 電磁干擾。Cascode需要將硅管和氮化鎵器件合封在一起，帶來了較大的寄生電感，如果開啟較高的頻率，會導致Emi較大。另外，工藝角度來看，Cascode和P-GaN分別需要生長一次和兩次外延，Cascode的整體工藝難度相比P-GaN更低一些。從驅動的角度，Cascode驅動與傳統硅MOSFET的驅動完全相同，且不用過多考慮柵極保護，相對要求更低一些。成本的角度看，晶圓方面，Cascode由于只用一次外延，晶圓成本更低，但整體封裝成本更高一些。綜合來看，由于P-GaN目前整體出貨量較大，整體成本水平更優。 表1 GaN器件結構優劣勢對比

類型	級聯	增強
可靠性	優	劣
寄生電感	敏感	不敏感
耐壓	優	劣
功率	優	劣
工藝難度	較難	難
驅動難度	易	難

從技術角度看，兩者最大的區別在于級聯結構暫時解決了工業級的應用問題。 由于級聯結構的可靠性、耐壓特性更有優勢，Transphorm作為級聯架構的代表去年底也發布了比較理想的高壓器件失效率數據，目前看級聯結構在工業級市場更有優勢。單管增強型結構，目前也在通過更*的驅動和電源方案來提高P-GaN結構器件的可靠性，通過QST等襯底技術提高耐壓等級，但技術逐步成熟還需要時間。 但是產業技術路線的發展，除了技術本身，產業的生態往往起到非常重要的作用。 整體來看，由于級聯型結構Pi和Transphorm的產業鏈比較封閉，而更加開放的單管增強型結構的產業生態相對更加百花齊放，目前國內外主要幾家提供代工服務的Foundry走的都是單管增強型的工藝路線，下游的電源管理IC廠商絕大部分也專注于單管增強型的方案，整個生態對該技術路線相對抱團，目前看單管增強型的產業鏈的技術迭代、成本優化會持續加強，中短期內有望成為主流技術路線。 04 應用方案，研發資源和機會窗口

氮化鎵作為一個新興技術，目前整體方案的設計和應用還是以氮化鎵器件廠商來推動，也逐步出現一批電源管理IC的廠商形成以驅動和控制芯片為核心的方案。 表2 GaN主要參與者類型

類別		代表企業	結構
GaN 主導	GaN	英諾賽科	GaN
	GaN	Gan Systems	GaN
	GaN +驅動控制	Pi	控制驅動GaN合封
	GaN +驅動控制	Navitas	驅動GaN單die
電源管理主導	驅動+控制	恩智浦	LLC控制
	驅動+控制	安森美	直驅和LLC控制
	GaN +驅動控制	東科	驅動GaN控制合封
	GaN +驅動控制	必易微	驅動+GaN

氮化鎵主導和電源管理主導公司各自的優勢不同。氮化鎵器件企業主要優勢：掌握氮化鎵器件的稀缺供應鏈資源；氮化鎵器件理解更加充分；推出相關方案的時間更有先發優勢。電源管理芯片企業主要優勢：驅動和控制IC的設計能力；電源方案的設計經驗； ACDC合封技術能力和封裝供應鏈資源；原有的電源客戶渠道。
要做好一個理想的氮化鎵的方案，硅基氮化鎵公司除了要把功率器件做好，驅動控制IC的技術和電源的方案也非常重要。硅基氮化鎵是一家功率公司，前期也是一家電源公司。 氮化鎵方案相比硅基的方案，一是需要解決問題，如氮化鎵器件柵極耐壓、高頻所帶來的可靠性、EMI的問題；二是需要充分挖掘優勢，發揮氮化鎵在傳統的拓撲結構中充分實現效率高、體積小的特性。因此在整體的方案需要： 1.充分理解氮化鎵器件的特性； 2. 方案層面具有很強的設計優化能力。兩者需要互相充分理解（要很懂），在研發層面互相配合迭代（要能一體化研發），才能搞定一個好的電源方案。 通過氮化鎵器件、驅動電路和控制電路的研發充分協同，輸出一個好的方案。 我們看到Pi和Navitas都在內部著力于解決上述的問題，國內硅基氮化鎵公司也在打造自己和電源管理IC公司的研發生態。國內硅基氮化鎵企業如何實現功率器件和功率IC的研發協同，是否具備較強的電源方案團隊儲備、技術經驗、深度研發合作伙伴，需要重點關注。另外，目前主流的方案包括Pi、Navitas、英諾賽科三家，三家芯片的集成度依次降低，其中Pi采用了控制器、驅動器和GaN器件合封，Navitas采用了驅動和氮化鎵器件的單die集成，英諾賽科采用的是氮化鎵單管，直接帶來的是三家不同的方案。目前主流的電源廠商的方案集中于上面這三種，因此擁抱主流的方案的阻力相對較小，差異化的方案需要再自建體系。 05 題外話和結語

目前有一些這樣的觀點：一是氮化鎵賽道不賺錢；二是氮化鎵技術門檻低，國內在建產能多。關于經濟性，待整體產值上來，各家企業的良率、產能利用率能夠再上一個臺階，作為非充分競爭的市場，中短期內該賽道大概率比硅基功率更賺錢。關于產能，目前媒體公布出來要建的硅基氮化鎵產能項目不少，大家有興趣的話可以挨個調研一下，實際有效產能有幾個，且可以評估下未來兩三年有希望有效的產能有幾家，這里不多說了。 硅基氮化鎵作為一項新興賽道，目前能從器件到方案的技術做好，并建立一個穩定且經濟的上游供應鏈，難度很大，這樣的企業和團隊也非常稀缺。

只要能好的解決以上幾個問題，就是一家很難得的硅基氮化鎵的企業，不拘泥于商業模式、不拘泥于企業背景、不拘泥于晶圓尺寸、不拘泥于外延和器件的技術路線。

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