半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分析

Callejon

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

從布局上看，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體材料和應(yīng)用有著相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈;從技術(shù)上看，國(guó)內(nèi)外雖然仍有差距，但由于起點(diǎn)較近，且市場(chǎng)遠(yuǎn)未成熟，國(guó)內(nèi)廠商仍有大量追趕機(jī)會(huì)。

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

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

所謂功率半導(dǎo)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(shè)備中涉及到電流、電壓控制的，都要用到功率半導(dǎo)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(dòng)大功率電機(jī)，其核心是一個(gè)高電壓平臺(tái)，比如比亞迪e5的動(dòng)力電池電壓就高達(dá)633.6V。

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

這就導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體占總成本的比重約為21%，但是到純電動(dòng)汽車中，這個(gè)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(shí)，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)也水漲船高。

可以看到，近年來全球功率半導(dǎo)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(chǎng)上，功率半導(dǎo)體也成為日趨火熱的領(lǐng)域。2021年，功率半導(dǎo)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(guó)功率半導(dǎo)體行業(yè)融資熱情依舊保持，1-5月，融資事件達(dá)到9起。

作為實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以預(yù)見，在短期內(nèi)，新能源汽車的熱度不僅不會(huì)消退，還會(huì)越發(fā)高漲，功率半導(dǎo)體的景氣也將持續(xù)。

從物理特性上看，第三代半導(dǎo)體材料和功率半導(dǎo)體天然契合。

第三代半導(dǎo)體指的是寬禁帶半導(dǎo)體。所謂“禁帶”，太過專業(yè)的概念本文不作多說，可以簡(jiǎn)單理解為半導(dǎo)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(huì)在一定程度上影響甚至決定半導(dǎo)體的電場(chǎng)強(qiáng)度、電子遷移率、熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)。

以硅(1.1ev)為代表的第一代半導(dǎo)體材料、以砷化鎵(1.4ev)為代表的第二代半導(dǎo)體材料，都屬于窄禁帶半導(dǎo)體。而第三代半導(dǎo)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(dǎo)體之間實(shí)際上不是替代關(guān)系，第三代半導(dǎo)體也不是抱著取代前兩代的目的研發(fā)的。

實(shí)際上，在上世紀(jì)90年代，第二代半導(dǎo)體剛剛投入大規(guī)模使用時(shí)，美國(guó)就同步研制出氮化鎵的材料和器件。而我國(guó)最早的研究隊(duì)伍——中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)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(dǎo)體的特性恰好迎合了當(dāng)下功率半導(dǎo)體的熱潮，才成為了媒體炒作的對(duì)象。

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

根據(jù)Cree公司提供的測(cè)算，將純電動(dòng)車的逆變器中的功率組件改成碳化硅器件時(shí)，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(cè)算，碳化硅器件整體損耗相比硅基器件降低80%以上，導(dǎo)通及開關(guān)損耗減小，有助于增加電動(dòng)車?yán)m(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(gè)由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的碳化硅MOSFET功率模塊。

這是個(gè)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(bào)顯示，僅在材料上，碳化硅襯底的成本就高達(dá)硅的4-5倍，未來3-4年價(jià)格即便下降，也會(huì)是硅的2倍。特斯拉的24個(gè)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(jǐn)慎，因此采用模塊化平臺(tái)、車體壓鑄一體成型、電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)、放棄激光雷達(dá)，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(fèi)重金，可見碳化硅的性能不可替代。

Yole也在最新報(bào)告中專門提到，比亞迪的“漢”系列電動(dòng)車和現(xiàn)代的Ioniq-5因?yàn)榇钶d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(dòng)汽車的熱銷也帶動(dòng)了碳化硅的增長(zhǎng)。

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

值得一提的是，10億美元只是個(gè)開始。

有人測(cè)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(dá)到半片6寸晶圓。

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

當(dāng)前的產(chǎn)能甚至無法滿足1家車企的需求。

這意味著，這個(gè)市場(chǎng)基本上還是一片肥沃的處女地，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(tái)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(jī)會(huì)。

目前，各研究機(jī)構(gòu)對(duì)此均持樂觀態(tài)度。

據(jù)Yole預(yù)測(cè)，到2027年碳化硅功率器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過60億美元;II-VI公司預(yù)計(jì)，2030年碳化硅市場(chǎng)規(guī)模將超300億美元，2021-2030年復(fù)合增速高達(dá)50.6%;而據(jù)國(guó)內(nèi)行業(yè)資深專家測(cè)算，至2030年前后6英寸碳化硅市場(chǎng)需求量將達(dá)1000萬片以上。

對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，這片沃土提供了追趕全球先進(jìn)水平的好機(jī)會(huì)。

首先，由于大部分功率半導(dǎo)體的使用場(chǎng)景，比如汽車、5G基站等，不像手機(jī)、電腦那樣寸土寸金，因此對(duì)先進(jìn)制造制程的需求沒那么高。

早前國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體龍頭在回應(yīng)投資者提問時(shí)就提到，公司聚焦功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，對(duì)28nm先進(jìn)制程沒有需求，90nm已經(jīng)屬于全球領(lǐng)先的工藝節(jié)點(diǎn)。

這就回避了目前國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最弱項(xiàng)以及相關(guān)的國(guó)際困境。

從產(chǎn)業(yè)鏈上的價(jià)值分配來看，和硅基半導(dǎo)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(guó)內(nèi)外已經(jīng)不存在技術(shù)代差。

目前國(guó)外主流廠商已經(jīng)實(shí)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(lǐng)軍人——美國(guó)Wolfspeed今年4月宣布量產(chǎn)8寸碳化硅襯底，是當(dāng)前進(jìn)展最快的企業(yè)。

在國(guó)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(shù)而言，中科院物理研究所2個(gè)月前也成功制備了8英寸碳化硅晶體，彌補(bǔ)了差距。

另外，從時(shí)間線上來看，國(guó)內(nèi)企業(yè)的追趕勢(shì)頭明顯。例如在4寸襯底上，國(guó)內(nèi)量產(chǎn)時(shí)間比美國(guó)晚16年，6寸襯底為10年。在8寸襯底上，國(guó)內(nèi)外技術(shù)突破的時(shí)間差距是7年，量產(chǎn)時(shí)間差距有望進(jìn)一步縮小。

總的來看，隨著以中國(guó)為代表的新能源汽車市場(chǎng)快速發(fā)展，將進(jìn)一步帶動(dòng)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(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀來看，行業(yè)仍處于發(fā)展的早期階段，相關(guān)技術(shù)選型、工藝路線、客戶綁定以及終端汽車格局等遠(yuǎn)未定型，國(guó)內(nèi)外廠商之間差距相對(duì)較小，國(guó)內(nèi)企業(yè)存在巨大的發(fā)展空間。

伴隨國(guó)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(guó)內(nèi)外第三代半導(dǎo)體材料差距縮小的同時(shí)，被稱為第四代半導(dǎo)體的氧化鎵，成為國(guó)外半導(dǎo)體領(lǐng)域最新的焦點(diǎn)。

氧化鎵是一種新興的超寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體器件更薄、更輕，同時(shí)能夠承受更大的電場(chǎng)而不會(huì)被擊穿，在超高功率元件之應(yīng)用極具潛力。

從各方面來看，氧化鎵都比第三代半導(dǎo)體更迎合市場(chǎng)對(duì)功率半導(dǎo)體的需求。

更重要的是，相較于第三代半導(dǎo)體，氧化鎵在制備上更有優(yōu)勢(shì)。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)，可以規(guī)避加工中的很多問題，這讓產(chǎn)業(yè)界人士對(duì)其未來有很高的期待。

成本更是讓其吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的另一個(gè)重要因素。從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)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(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體“彎道超車”更有利的是，在這條新賽道上，大家的起點(diǎn)更加平等。

目前在這方面領(lǐng)先的并不是Cree、Rohm、ST、Infineon、Bosch、OnSemi等功率半導(dǎo)體和元器件龍頭企業(yè)，而是最先關(guān)注這一領(lǐng)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(lǐng)先并不大。

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

參考資料：

[1]《揭秘第三代半導(dǎo)體，百億市場(chǎng)火爆》，投資界

[2]《第三代半導(dǎo)體火爆下的爛尾隱憂，及國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距的認(rèn)知偏差》，阿爾法工廠

[3]《「芯智駕」解鎖電動(dòng)汽車重要一環(huán):功率半導(dǎo)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(dǎo)體材料》，化合物半導(dǎo)體

[5]《日本功率半導(dǎo)體又領(lǐng)先，2022年量產(chǎn)氧化鎵》，芯語(yǔ)

前瞻網(wǎng)

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