Yole展望：化合物半导体行业前景先声夺人

时间： 2024-03-01 来源：芯长征科技公众号

时至今日，随着技术的不断发展，化合物半导体已成为许多行业谋求变革的关键，在许多应用领域都展现出了巨大的潜力，尤其是在新能源、5G、物联网(IoT)、自动驾驶、人工智能(AI)等新兴领域。

市场研究和战略咨询公司Yole Group在最新的《2024年化合物半导体行业现状》报告中指出：功率、RF(射频)、光子学和显示器已成为SiC(碳化硅)、GaN on Si(硅基氮化镓)、GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)和蓝宝石衬底的应用大户。

从消费到汽车

随着半导体工艺技术的不断发展，化合物半导体的应用范围越来越广泛，正在为各个行业的变革提供重要的技术支持和推动力。

首先，化合物半导体在通信领域的应用已非常广泛。由于具有高频率、高速率和低延迟等特点，能够为5G通信提供更好的性能和稳定性，化合物半导体已是5G技术发展必不可少的半导体材料。在光通信领域，化合物半导体也发挥着重要作用，能够实现更高的传输速度和更长的传输距离。

在汽车行业，尤其是在800V高压母线的电动汽车应用中，SiC的主导地位将推动数十亿美元的市场。同时，氮化镓(GaN)功率电子产品正在扩大在消费和汽车领域的影响力，在智能手机OVP(过压保护)应用中GaN有10亿台的机会。智能电网、新能源等领域对高效、可靠的功率电子器件的需求也在不断增加。SiC等化合物半导体具有高效、高频和高温等特点，广泛适用于功率电子领域，如功率转换、电机控制等。

在电子行业复苏的预期中，5G等行业演进对高频高功率半导体器件的需求激增，GaN迎来了发展契机。RF GaN也适用于国防、电信和航天行业中的高功率应用。

在光子学领域，InP和GaAs处于领先地位，在人工智能应用的推动下，InP正在经历复兴，而GaAs光子器件也在温和增长。MicroLED显示也是化合物半导体的一个重要市场，具有很大发展潜力。

此外，化合物半导体在医疗、环保等领域也有着广泛的应用。例如，基于III-V族化合物的半导体激光器可以用于激光治疗、光动力疗法等医疗领域；化合物半导体传感器可以用于环境监测、气体检测等环保领域。

化合物半导体衬底格局

功率电子和光子化合物半导体的强劲增长推动了衬底和外延片市场的发展。Yole预计，到2029年，化合物半导体衬底和外延片市场将达到58亿美元，随之而来的是，衬底市场将达到33亿美元，复合年增长率为17%。其中2023年功率市场为7.86亿美元，2029年将超过25亿美元，复合年增长率高达21%。

在供应链方面，化合物半导体衬底制造商不断制定新的战略来扩大其产品组合，以寻求更大的市场份额。Wolfspeed是当之无愧的化合物半导体衬底先锋，引领功率SiC的衬底供应。该公司正在过渡到更大的8英寸晶圆厂，并根据其战略愿景扩大材料产能。

COHERENT是另一家专注于光子器件的领先公司，在功率和射频应用的SiC衬底市场占据主导地位。通过与SEDI(住友)在RF GaN领域的合作，以及与GE在功率SiC器件的合作，Coherent增强了其从衬底到器件的竞争优势，涵盖了从衬底到先进设备的整个价值链。

AXT、Sumitomo Electric、Freiberger和天岳先进在GaAs、InP和半绝缘SiC衬底方面处于领先地位。这些厂商正在研究用于射频、光子学和MicroLED应用的GaAs和InP衬底之间的协同作用。

值得一提的是，2023年中期，中国陆续出台镓、锗和石墨出口管制措施，将对化合物衬底制造商的原材料战略供应、生产计划和成本控制，以及市场价格将产生一定的影响。

向更大衬底过渡，释放新的潜力

向更大规格的8英寸晶圆厂和扩大材料产能的战略转变是未来十年化合物半导体行业的宏伟目标。例如，SiC行业的扩张和投资推动着整个行业的蓬勃发展。事实上，尽管Wolfspeed等头部公司都表示即将量产8英寸晶圆，6英寸晶圆仍然是SiC的主流。目前的研发重点是提高SiC晶圆良率，Soitec和Sumitomo Mining(住友金属矿业)通过设计和生产工程优化衬底来满足客户需求；英飞凌则主要专注于晶锭和晶圆切割技术。

目前，功率GaN主要采用6英寸GaN-on-Si，英诺赛科、ST和英飞凌等也在开发8英寸GaN-on-Si，并努力使其具有与SiC类似的吸引力。一些创新旨在使用QST™等新型衬底实现垂直器件结构并提高性能。

据了解，QST™衬底是Qromis开发的专门用于GaN生长的复合材料衬底，称为GaN on QST™。其8英寸GaN衬底量产良率可达90%，耐压为1200V。作为用于大直径GaN外延和器件晶圆的革命性高性能衬底解决方案，QST™衬底材料的关键特性，如应力、晶格失配、热稳定性和形状控制是独立设计的，能够与GaN外延层和器件层以及不同的器件架构和性能目标实现最佳匹配。它可以在8英寸或更大的晶圆上生长高击穿电压的厚膜GaN晶体，解决了直径增大的问题；而且6英寸、8英寸和12英寸之间可以无缝快速循环转换。

在射频业务方面，GaN-on-Si正在为与SiC等现有技术竞争的新机会铺平道路。光子学驾驭着人工智能的浪潮，激发出高数据率的激光能力。InP光子是一个处于增长阶段的成熟市场。人工智能有望推动InP单晶向6英寸过渡。与此同时，在MicroLED推动下，GaAs外延衬底也在向8英寸制造转变，例如苹果的MicroLED智能手表。

化合物半导体前景可期

Yole集团半导体衬底与材料技术与市场分析师Ali Jaffal博士总结道：“化合物半导体行业正处于向更大直径衬底过渡的关键时刻。在功率电子领域，产能的需求使SiC向8英寸过渡成为了当务之急；在光子领域，人工智能正在推动高数据率激光器的需求，这将加速向6英寸InP衬底的过渡。另一方面，GaAs也在探索microLED的8英寸制造，试图与OLED竞争。”

总之，在功率电子和光子化合物半导体强劲增长的推动下，化合物半导体衬底和外延片市场将不断发展，整个行业前景可期。

文章来源于电力电子网，作者电力电子产业网。

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