半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料和應(yīng)用有著相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈;從技術(shù)上看，國內(nèi)外雖然仍有差距,，但由于起點(diǎn)較近,，且市場遠(yuǎn)未成熟,，國內(nèi)廠商仍有大量追趕機(jī)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(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)動大功率電機(jī),，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(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(dǎo)體市場也水漲船高,。

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消退,，還會越發(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。

禁帶寬度會在一定程度上影響甚至決定半導(dǎo)體的電場強(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，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(duì)伍——中國科學(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(dǎo)通及開關(guān)損耗減小,，有助于增加電動車?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個由意法半導(dǎo)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(dá)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(jǐn)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(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也在最新報告中專門提到,，比亞迪的“漢”系列電動車和現(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(dá)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(dá)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(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(jī)會。

目前,，各研究機(jī)構(gòu)對此均持樂觀態(tài)度,。

據(jù)Yole預(yù)測，到2027年碳化硅功率器件市場預(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(dá)1000萬片以上,。

對中國半導(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。

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

早前國內(nèi)功率半導(dǎo)體龍頭在回應(yīng)投資者提問時就提到,，公司聚焦功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，對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),。

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

從產(chǎn)業(yè)鏈上的價值分配來看,，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，國內(nèi)外已經(jīng)不存在技術(shù)代差。

目前國外主流廠商已經(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(shù)突破的時間差距是7年，量產(chǎn)時間差距有望進(jìn)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(jìn)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(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(dǎo)體材料差距縮小的同時,，被稱為第四代半導(dǎo)體的氧化鎵,，成為國外半導(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,，同時能夠承受更大的電場而不會被擊穿,，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)體更迎合市場對功率半導(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,。

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(guān)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(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。

對于中國半導(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(dǎo)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(dǎo)體,，百億市場火爆》，投資界

[2]《第三代半導(dǎo)體火爆下的爛尾隱憂,，及國內(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

前瞻網(wǎng)

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