半导体产业分析

Callejon

过去几年被持续热炒的中国第三代半导体产业“弯道超车”，似乎展露出了苗头。

从布局上看，国内第三代半导体材料和应用有着相对完整的产业链;从技术上看，国内外虽然仍有差距，但由于起点较近，且市场远未成熟，国内厂商仍有大量追赶机会。

最重要的是，在产业发展的推力上，我国拥有庞大的新能源汽车市场。

新能源汽车带动了功率半导体的爆发，功率半导体的爆发给第三代半导体提供了良好的故事背景。

所谓功率半导体，就是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。但凡电子设备中涉及到电流、电压控制的，都要用到功率半导体。

新能源汽车和传统燃油车的核心区别之一，就是为了驱动大功率电机，其核心是一个高电压平台，比如比亚迪e5的动力电池电压就高达633.6V。

然而，像音箱、收音机、雨刮器之类低负载电器，显然不能用高压系统直接供电。

这就导致，新能源汽车电路中，存在大量需要转换电压的环节，功率半导体的用量大幅增加。

据StrategyAnalytics数据显示，传统燃油车上，功率半导体占总成本的比重约为21%，但是到纯电动汽车中，这个数字暴增到55%，翻了1倍多。因此，在新能源汽车渗透率不断提升的同时，功率半导体市场也水涨船高。

可以看到，近年来全球功率半导体出货量持续上升，仅在2020年被疫情打断，随后又在2021年迅速回升。

资本市场上，功率半导体也成为日趋火热的领域。2021年，功率半导体行业受资本青睐度陡增，融资热度高涨，发生融资事件共15起。2022年上半年，我国功率半导体行业融资热情依旧保持，1-5月，融资事件达到9起。

作为实现碳中和的关键环节，可以预见，在短期内，新能源汽车的热度不仅不会消退，还会越发高涨，功率半导体的景气也将持续。

从物理特性上看，第三代半导体材料和功率半导体天然契合。

第三代半导体指的是宽禁带半导体。所谓“禁带”，太过专业的概念本文不作多说，可以简单理解为半导体材料保持稳定的能力，禁带越宽，就越能经受外部能量的冲击。

禁带宽度会在一定程度上影响甚至决定半导体的电场强度、电子迁移率、热导率和熔点。

以硅(1.1ev)为代表的第一代半导体材料、以砷化镓(1.4ev)为代表的第二代半导体材料，都属于窄禁带半导体。而第三代半导体材料，无论是碳化硅还是氮化镓，禁带宽度大于3.2ev，具有更好的耐高温、耐高压、耐大电流性能。

多说一句，虽然近年来多见“弯道超车”之类的宣传，但各代半导体之间实际上不是替代关系，第三代半导体也不是抱着取代前两代的目的研发的。

实际上，在上世纪90年代，第二代半导体刚刚投入大规模使用时，美国就同步研制出氮化镓的材料和器件。而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所，在1995年也起步了该方面的研究。

只不过，第三代半导体的特性恰好迎合了当下功率半导体的热潮，才成为了媒体炒作的对象。

以第三代半导体中最成熟的碳化硅为例，相比传统的硅基半导体材料，碳化硅拥有3倍的禁带宽度、3倍的热导率、近10倍的击穿场强、以及2倍的电子饱和漂移速率。在同样大小下性能更强，在同样性能下占空间更少。

根据Cree公司提供的测算，将纯电动车的逆变器中的功率组件改成碳化硅器件时，由于电能转换效率提高、电能利用效率提高、无效热耗减少，整车功耗可以减少约5%到10%。

据英飞凌测算，碳化硅器件整体损耗相比硅基器件降低80%以上，导通及开关损耗减小，有助于增加电动车续航里程。

早在2018年，特斯拉Model 3在主逆变器中就安装了24个由意法半导体生产的碳化硅MOSFET功率模块。

这是个非常难得的数字。

由于处于发展初期，碳化硅器件和芯片成本都居高不下。有研报显示，仅在材料上，碳化硅衬底的成本就高达硅的4-5倍，未来3-4年价格即便下降，也会是硅的2倍。特斯拉的24个功率模块，增加了近1500元的成本。

一直以来，特斯拉在成本控制上都极为谨慎，因此采用模块化平台、车体压铸一体成型、电池包优化设计、放弃激光雷达，尽可能压缩成本。

这么“抠门”的特斯拉，为了提升续航能力，愿意为碳化硅芯片花费重金，可见碳化硅的性能不可替代。

Yole也在最新报告中专门提到，比亚迪的“汉”系列电动车和现代的Ioniq-5因为搭载高性能碳化硅模块而获得的快充功能，是2款车型近年销量持续走高的原因之一。

反过来，电动汽车的热销也带动了碳化硅的增长。

Yole数据显示，2019年全球碳化硅功率器件市场规模为5.4亿美元;2020年增长到7.1亿美元，增长率达31%;2021年更是增长41%，规模突破10亿美元。

值得一提的是，10亿美元只是个开始。

有人测算过，如果将特斯拉汽车上搭载的功率器件全部换成碳化硅的，那么单车使用量就将达到半片6寸晶圆。

但是整个2021年，全球生产的碳化硅晶圆只有40-60万片，结合业内良率平均约50%估算，有效产能仅20-30万片。

当前的产能甚至无法满足1家车企的需求。

这意味着，这个市场基本上还是一片肥沃的处女地，市场竞争还处于早期阶段。随着新能源汽车电驱系统往 800V 高压平台发展、480kW 充电桩、光伏逆变器向高压发展，将诞生无数机会。

目前，各研究机构对此均持乐观态度。

据Yole预测，到2027年碳化硅功率器件市场预计将超过60亿美元;II-VI公司预计，2030年碳化硅市场规模将超300亿美元，2021-2030年复合增速高达50.6%;而据国内行业资深专家测算，至2030年前后6英寸碳化硅市场需求量将达1000万片以上。

对中国半导体产业而言，这片沃土提供了追赶全球先进水平的好机会。

首先，由于大部分功率半导体的使用场景，比如汽车、5G基站等，不像手机、电脑那样寸土寸金，因此对先进制造制程的需求没那么高。

早前国内功率半导体龙头在回应投资者提问时就提到，公司聚焦功率半导体领域，对28nm先进制程没有需求，90nm已经属于全球领先的工艺节点。

这就回避了目前国内半导体产业的最弱项以及相关的国际困境。

从产业链上的价值分配来看，和硅基半导体里，晶圆制造占总成本50%不一样的是，碳化硅产业链上，反而是衬底占了一半成本。

而在衬底生产上，国内外已经不存在技术代差。

目前国外主流厂商已经实现6寸碳化硅衬底量产，并相继推出8寸衬底样品。行业领军人——美国Wolfspeed今年4月宣布量产8寸碳化硅衬底，是当前进展最快的企业。

在国内，虽然头部企业才刚刚开始量产6寸衬底，商业化上有所落后，但就技术而言，中科院物理研究所2个月前也成功制备了8英寸碳化硅晶体，弥补了差距。

另外，从时间线上来看，国内企业的追赶势头明显。例如在4寸衬底上，国内量产时间比美国晚16年，6寸衬底为10年。在8寸衬底上，国内外技术突破的时间差距是7年，量产时间差距有望进一步缩小。

总的来看，随着以中国为代表的新能源汽车市场快速发展，将进一步带动以碳化硅功率器件为代表的一大批产品快速起量。

从市场应用现状来看，行业仍处于发展的早期阶段，相关技术选型、工艺路线、客户绑定以及终端汽车格局等远未定型，国内外厂商之间差距相对较小，国内企业存在巨大的发展空间。

伴随国家双碳战略，下游新能源汽车和光伏行业需求旺盛，碳化硅渗透率有望快速提升。

另外值得一提的是，在国内外第三代半导体材料差距缩小的同时，被称为第四代半导体的氧化镓，成为国外半导体领域最新的焦点。

氧化镓是一种新兴的超宽禁带半导体，顾名思义，其拥有4.8eV的超大禁带，使其制作的器件比第三代半导体器件更薄、更轻，同时能够承受更大的电场而不会被击穿，在超高功率元件之应用极具潜力。

从各方面来看，氧化镓都比第三代半导体更迎合市场对功率半导体的需求。

更重要的是，相较于第三代半导体，氧化镓在制备上更有优势。

相关统计数据显示，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3000、碳化硅的1/6，此外，氧化镓材料的缺陷密度比碳化硅和氮化镓材料低至少3个数量级，可以规避加工中的很多问题，这让产业界人士对其未来有很高的期待。

成本更是让其吸引产业关注的另一个重要因素。从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看，基于氧化镓材料的器件成本为195美元，是碳化硅材料器件成本的约五分之一，已与硅基产品的成本所差无几。

对于中国半导体“弯道超车”更有利的是，在这条新赛道上，大家的起点更加平等。

目前在这方面领先的并不是Cree、Rohm、ST、Infineon、Bosch、OnSemi等功率半导体和元器件龙头企业，而是最先关注这一领域的日本人，代表业界最高水平的是2015年才成立的NCT公司。

虽然说是最高水平，但真正推出商业化的高质量氧化镓单晶衬底和同质外延片，也是2015年、2016年的事，领先并不大。

在其他国家，美国对氧化镓材料的研究始于2018年。同年，年我国也启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究，并且在产业化上比美国快得多。

参考资料：

[1]《揭秘第三代半导体，百亿市场火爆》，投资界

[2]《第三代半导体火爆下的烂尾隐忧，及国内外技术差距的认知偏差》，阿尔法工厂

[3]《「芯智驾」解锁电动汽车重要一环:功率半导体是最大增量》，集微网

[4]《氧化镓：挑战传统的宽禁带半导体材料》，化合物半导体

[5]《日本功率半导体又领先，2022年量产氧化镓》，芯语

前瞻网