半導體產(chǎn)業(yè)分析

Callejon

過去幾年被持續(xù)熱炒的中國第三代半導體產(chǎn)業(yè)“彎道超車”，似乎展露出了苗頭。

從布局上看，國內(nèi)第三代半導體材料和應用有著相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈;從技術上看，國內(nèi)外雖然仍有差距，但由于起點較近，且市場遠未成熟，國內(nèi)廠商仍有大量追趕機會。

最重要的是，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推力上，我國擁有龐大的新能源汽車市場。

新能源汽車帶動了功率半導體的爆發(fā)，功率半導體的爆發(fā)給第三代半導體提供了良好的故事背景。

所謂功率半導體，就是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等。但凡電子設備中涉及到電流、電壓控制的，都要用到功率半導體。

新能源汽車和傳統(tǒng)燃油車的核心區(qū)別之一，就是為了驅(qū)動大功率電機，其核心是一個高電壓平臺，比如比亞迪e5的動力電池電壓就高達633.6V。

然而，像音箱、收音機、雨刮器之類低負載電器，顯然不能用高壓系統(tǒng)直接供電。

這就導致，新能源汽車電路中，存在大量需要轉(zhuǎn)換電壓的環(huán)節(jié)，功率半導體的用量大幅增加。

據(jù)StrategyAnalytics數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)燃油車上，功率半導體占總成本的比重約為21%，但是到純電動汽車中，這個數(shù)字暴增到55%，翻了1倍多。因此，在新能源汽車滲透率不斷提升的同時，功率半導體市場也水漲船高。

可以看到，近年來全球功率半導體出貨量持續(xù)上升，僅在2020年被疫情打斷，隨后又在2021年迅速回升。

資本市場上，功率半導體也成為日趨火熱的領域。2021年，功率半導體行業(yè)受資本青睞度陡增，融資熱度高漲，發(fā)生融資事件共15起。2022年上半年，我國功率半導體行業(yè)融資熱情依舊保持，1-5月，融資事件達到9起。

作為實現(xiàn)碳中和的關鍵環(huán)節(jié)，可以預見，在短期內(nèi)，新能源汽車的熱度不僅不會消退，還會越發(fā)高漲，功率半導體的景氣也將持續(xù)。

從物理特性上看，第三代半導體材料和功率半導體天然契合。

第三代半導體指的是寬禁帶半導體。所謂“禁帶”，太過專業(yè)的概念本文不作多說，可以簡單理解為半導體材料保持穩(wěn)定的能力，禁帶越寬，就越能經(jīng)受外部能量的沖擊。

禁帶寬度會在一定程度上影響甚至決定半導體的電場強度、電子遷移率、熱導率和熔點。

以硅(1.1ev)為代表的第一代半導體材料、以砷化鎵(1.4ev)為代表的第二代半導體材料，都屬于窄禁帶半導體。而第三代半導體材料，無論是碳化硅還是氮化鎵，禁帶寬度大于3.2ev，具有更好的耐高溫、耐高壓、耐大電流性能。

多說一句，雖然近年來多見“彎道超車”之類的宣傳，但各代半導體之間實際上不是替代關系，第三代半導體也不是抱著取代前兩代的目的研發(fā)的。

實際上，在上世紀90年代，第二代半導體剛剛投入大規(guī)模使用時，美國就同步研制出氮化鎵的材料和器件。而我國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所，在1995年也起步了該方面的研究。

只不過，第三代半導體的特性恰好迎合了當下功率半導體的熱潮，才成為了媒體炒作的對象。

以第三代半導體中最成熟的碳化硅為例，相比傳統(tǒng)的硅基半導體材料，碳化硅擁有3倍的禁帶寬度、3倍的熱導率、近10倍的擊穿場強、以及2倍的電子飽和漂移速率。在同樣大小下性能更強，在同樣性能下占空間更少。

根據(jù)Cree公司提供的測算，將純電動車的逆變器中的功率組件改成碳化硅器件時，由于電能轉(zhuǎn)換效率提高、電能利用效率提高、無效熱耗減少，整車功耗可以減少約5%到10%。

據(jù)英飛凌測算，碳化硅器件整體損耗相比硅基器件降低80%以上，導通及開關損耗減小，有助于增加電動車續(xù)航里程。

早在2018年，特斯拉Model 3在主逆變器中就安裝了24個由意法半導體生產(chǎn)的碳化硅MOSFET功率模塊。

這是個非常難得的數(shù)字。

由于處于發(fā)展初期，碳化硅器件和芯片成本都居高不下。有研報顯示，僅在材料上，碳化硅襯底的成本就高達硅的4-5倍，未來3-4年價格即便下降，也會是硅的2倍。特斯拉的24個功率模塊，增加了近1500元的成本。

一直以來，特斯拉在成本控制上都極為謹慎，因此采用模塊化平臺、車體壓鑄一體成型、電池包優(yōu)化設計、放棄激光雷達，盡可能壓縮成本。

這么“摳門”的特斯拉，為了提升續(xù)航能力，愿意為碳化硅芯片花費重金，可見碳化硅的性能不可替代。

Yole也在最新報告中專門提到，比亞迪的“漢”系列電動車和現(xiàn)代的Ioniq-5因為搭載高性能碳化硅模塊而獲得的快充功能，是2款車型近年銷量持續(xù)走高的原因之一。

反過來，電動汽車的熱銷也帶動了碳化硅的增長。

Yole數(shù)據(jù)顯示，2019年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模為5.4億美元;2020年增長到7.1億美元，增長率達31%;2021年更是增長41%，規(guī)模突破10億美元。

值得一提的是，10億美元只是個開始。

有人測算過，如果將特斯拉汽車上搭載的功率器件全部換成碳化硅的，那么單車使用量就將達到半片6寸晶圓。

但是整個2021年，全球生產(chǎn)的碳化硅晶圓只有40-60萬片，結合業(yè)內(nèi)良率平均約50%估算，有效產(chǎn)能僅20-30萬片。

當前的產(chǎn)能甚至無法滿足1家車企的需求。

這意味著，這個市場基本上還是一片肥沃的處女地，市場競爭還處于早期階段。隨著新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)往 800V 高壓平臺發(fā)展、480kW 充電樁、光伏逆變器向高壓發(fā)展，將誕生無數(shù)機會。

目前，各研究機構對此均持樂觀態(tài)度。

據(jù)Yole預測，到2027年碳化硅功率器件市場預計將超過60億美元;II-VI公司預計，2030年碳化硅市場規(guī)模將超300億美元，2021-2030年復合增速高達50.6%;而據(jù)國內(nèi)行業(yè)資深專家測算，至2030年前后6英寸碳化硅市場需求量將達1000萬片以上。

對中國半導體產(chǎn)業(yè)而言，這片沃土提供了追趕全球先進水平的好機會。

首先，由于大部分功率半導體的使用場景，比如汽車、5G基站等，不像手機、電腦那樣寸土寸金，因此對先進制造制程的需求沒那么高。

早前國內(nèi)功率半導體龍頭在回應投資者提問時就提到，公司聚焦功率半導體領域，對28nm先進制程沒有需求，90nm已經(jīng)屬于全球領先的工藝節(jié)點。

這就回避了目前國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)的最弱項以及相關的國際困境。

從產(chǎn)業(yè)鏈上的價值分配來看，和硅基半導體里，晶圓制造占總成本50%不一樣的是，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上，反而是襯底占了一半成本。

而在襯底生產(chǎn)上，國內(nèi)外已經(jīng)不存在技術代差。

目前國外主流廠商已經(jīng)實現(xiàn)6寸碳化硅襯底量產(chǎn)，并相繼推出8寸襯底樣品。行業(yè)領軍人——美國Wolfspeed今年4月宣布量產(chǎn)8寸碳化硅襯底，是當前進展最快的企業(yè)。

在國內(nèi)，雖然頭部企業(yè)才剛剛開始量產(chǎn)6寸襯底，商業(yè)化上有所落后，但就技術而言，中科院物理研究所2個月前也成功制備了8英寸碳化硅晶體，彌補了差距。

另外，從時間線上來看，國內(nèi)企業(yè)的追趕勢頭明顯。例如在4寸襯底上，國內(nèi)量產(chǎn)時間比美國晚16年，6寸襯底為10年。在8寸襯底上，國內(nèi)外技術突破的時間差距是7年，量產(chǎn)時間差距有望進一步縮小。

總的來看，隨著以中國為代表的新能源汽車市場快速發(fā)展，將進一步帶動以碳化硅功率器件為代表的一大批產(chǎn)品快速起量。

從市場應用現(xiàn)狀來看，行業(yè)仍處于發(fā)展的早期階段，相關技術選型、工藝路線、客戶綁定以及終端汽車格局等遠未定型，國內(nèi)外廠商之間差距相對較小，國內(nèi)企業(yè)存在巨大的發(fā)展空間。

伴隨國家雙碳戰(zhàn)略，下游新能源汽車和光伏行業(yè)需求旺盛，碳化硅滲透率有望快速提升。

另外值得一提的是，在國內(nèi)外第三代半導體材料差距縮小的同時，被稱為第四代半導體的氧化鎵，成為國外半導體領域最新的焦點。

氧化鎵是一種新興的超寬禁帶半導體，顧名思義，其擁有4.8eV的超大禁帶，使其制作的器件比第三代半導體器件更薄、更輕，同時能夠承受更大的電場而不會被擊穿，在超高功率元件之應用極具潛力。

從各方面來看，氧化鎵都比第三代半導體更迎合市場對功率半導體的需求。

更重要的是，相較于第三代半導體，氧化鎵在制備上更有優(yōu)勢。

相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6，此外，氧化鎵材料的缺陷密度比碳化硅和氮化鎵材料低至少3個數(shù)量級，可以規(guī)避加工中的很多問題，這讓產(chǎn)業(yè)界人士對其未來有很高的期待。

成本更是讓其吸引產(chǎn)業(yè)關注的另一個重要因素。從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為195美元，是碳化硅材料器件成本的約五分之一，已與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。

對于中國半導體“彎道超車”更有利的是，在這條新賽道上，大家的起點更加平等。

目前在這方面領先的并不是Cree、Rohm、ST、Infineon、Bosch、OnSemi等功率半導體和元器件龍頭企業(yè)，而是最先關注這一領域的日本人，代表業(yè)界最高水平的是2015年才成立的NCT公司。

雖然說是最高水平，但真正推出商業(yè)化的高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底和同質(zhì)外延片，也是2015年、2016年的事，領先并不大。

在其他國家，美國對氧化鎵材料的研究始于2018年。同年，年我國也啟動了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內(nèi)的超寬禁帶半導體材料的探索和研究，并且在產(chǎn)業(yè)化上比美國快得多。

參考資料：

[1]《揭秘第三代半導體，百億市場火爆》，投資界

[2]《第三代半導體火爆下的爛尾隱憂，及國內(nèi)外技術差距的認知偏差》，阿爾法工廠

[3]《「芯智駕」解鎖電動汽車重要一環(huán):功率半導體是最大增量》，集微網(wǎng)

[4]《氧化鎵：挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的寬禁帶半導體材料》，化合物半導體

[5]《日本功率半導體又領先，2022年量產(chǎn)氧化鎵》，芯語

前瞻網(wǎng)

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