巨頭搶灘第三代半導體

長(cháng)期以來(lái)，英飛凌、意法半導體等功率半導體Top級廠(chǎng)商更多的產(chǎn)品是硅基器件，如硅基IGBT、硅基MOSFET等，隨著(zhù)5G、新能源汽車(chē)等一系列技術(shù)迭代和市場(chǎng)需求推動(dòng)之下，第三代半導體憑借各自高頻、高壓等優(yōu)...

延續了一年的第三代半導體發(fā)展熱潮并未止息，多家功率半導體國際巨頭競相在公布2022年財報前后宣布了新建工廠(chǎng)計劃。

如Infineon（英飛凌）、STMicroelectronics（意法半導體）都表示將在全球不同國家建設碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相關(guān)工廠(chǎng)。雖然在目前階段來(lái)看，碳化硅的應用和技術(shù)發(fā)展相對成熟，但氮化鎵的未來(lái)前景也不容忽視，而在這其中，偏前端的襯底（略類(lèi)似于硅基的晶圓）環(huán)節又是占據較大價(jià)值量的部分，由此可見(jiàn)巨頭們對于未來(lái)的發(fā)展之爭已經(jīng)拉開(kāi)架勢。

再往前看，動(dòng)作幅度更大的是Cree（科銳）。2021年10月，科銳經(jīng)過(guò)四年的徹底轉型，剝離掉原先占比2/3的業(yè)務(wù)，以更名Wolfspeed作為節點(diǎn)，重新定位將發(fā)力碳化硅技術(shù)和制造。在此之前的六年時(shí)間內，Wolfspeed都只是作為科銳碳化硅材料和半導體器件事業(yè)部的一個(gè)品牌。

當然，第三代半導體面向未來(lái)的發(fā)展落地不可能一蹴而就。雖然國際巨頭們在不斷加大投資搶占先機，但從縱深來(lái)說(shuō)，目前成熟度已經(jīng)很高的硅基（第一代半導體，與第三代半導體不是代際替代關(guān)系）具備更普適的應用優(yōu)勢，這奠定了硅基在晶圓/襯底材料市場(chǎng)9成以上的歷史份額，這在未來(lái)也不會(huì )輕易有顯著(zhù)改變。

巨頭接連新建產(chǎn)線(xiàn)

2月的新一個(gè)財報季，功率半導體大廠(chǎng)不約而同提到了新一年加大對第三代半導體的投資力度，以及對未來(lái)形勢的看好。

意法半導體發(fā)布的2022財年財報指出，將投入約9億美元用于戰略投資，其中包括對新晶圓廠(chǎng)的工業(yè)化產(chǎn)線(xiàn)投資，也包括對氮化鎵技術(shù)和碳化硅原材料的投入。

在此之前的業(yè)績(jì)說(shuō)明會(huì )上，該公司高管表示，預計在2024年將實(shí)現10億美元的碳化硅營(yíng)收目標，比原計劃提前一年，主要動(dòng)力會(huì )來(lái)自于電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)產(chǎn)品的增長(cháng)，工業(yè)端等領(lǐng)域的營(yíng)收也會(huì )有所增加，但會(huì )相對分散，將體現在充電站上。

英飛凌發(fā)布的2022財年財報則表示，將投入超過(guò)20億歐元，在馬來(lái)西亞新建第三代半導體模組廠(chǎng)。公司同時(shí)指出，希望通過(guò)加大在寬禁帶半導體（主要包括碳化硅和氮化鎵）領(lǐng)域的制造能力，強化其在功率半導體的領(lǐng)導地位。待前述模組廠(chǎng)建設完成，將有望帶來(lái)每年在碳化硅和氮化鎵市場(chǎng)20億歐元的新增收入。

長(cháng)期以來(lái)，英飛凌、意法半導體等功率半導體Top級廠(chǎng)商更多的產(chǎn)品是硅基器件，如硅基IGBT、硅基MOSFET等，隨著(zhù)5G、新能源汽車(chē)等一系列技術(shù)迭代和市場(chǎng)需求推動(dòng)之下，第三代半導體憑借各自高頻、高壓等優(yōu)勢異軍突起，成為備受關(guān)注的下一個(gè)技術(shù)方向。

我國的相關(guān)建設同樣如火如荼，從創(chuàng )業(yè)公司發(fā)展、到地方政府的政策支持都在加速推動(dòng)著(zhù)相關(guān)技術(shù)研發(fā)和工廠(chǎng)落地。略有不同的可能是發(fā)展模式選擇。前述國際大廠(chǎng)多采用的是IDM模式，也即從晶圓廠(chǎng)到器件模組都有一定比重的自主生產(chǎn)，國內則也有偏重發(fā)展某一個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)節的公司類(lèi)型。

北京大學(xué)長(cháng)江特聘教授、寬禁帶半導體研究中心主任沈波向21世紀經(jīng)濟報道記者分析，目前，硅基半導體芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式有IDM、有代工，產(chǎn)業(yè)分工比較細。至于第三代半導體芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式到底是走哪一條路，目前還很難下結論，應該說(shuō)各有各的優(yōu)勢。

“在企業(yè)發(fā)展初創(chuàng )期，肯定是采用代工模式投資門(mén)檻低。但這個(gè)模式的前提是，為他們代工的企業(yè)，技術(shù)要穩定成熟?！彼m稱(chēng)，從目前第三代半導體的代工企業(yè)來(lái)看，其數據庫和芯片技術(shù)還不如硅基市場(chǎng)成熟，僅有的少數幾個(gè)代工廠(chǎng)還有技術(shù)問(wèn)題亟待解決，所以即便有代工廠(chǎng)，但不同廠(chǎng)商之間的水準可能存在較大差距。

因此從這個(gè)角度看，初創(chuàng )企業(yè)雖然采用代工模式可以減少投資額，但是也面臨諸多限制條件。所以事實(shí)上，目前國內的第三代半導體企業(yè)，多以采用IDM模式占主導。但是假如等第三代半導體發(fā)展到硅基目前的成熟度來(lái)說(shuō)，究竟是采用IDM還是代工，還很難下結論?！坝锌赡艽つＪ礁冗M(jìn)、專(zhuān)業(yè)分工帶來(lái)更高效率?！鄙虿ㄖ赋?。

集邦咨詢(xún)化合物半導體分析師龔瑞驕則向記者分析，兩種材料具體來(lái)看會(huì )有所不同。目前碳化硅產(chǎn)業(yè)在加速垂直整合，如英飛凌、羅姆等廠(chǎng)商都在向上游延伸，涉及到材料領(lǐng)域，特別是對碳化硅襯底的爭奪?！拔艺J為主要是基于兩點(diǎn)原因：碳化硅襯底的高產(chǎn)品附加值；其襯底的技術(shù)制程非常復雜、晶體生長(cháng)非常緩慢，成為碳化硅晶圓產(chǎn)能的關(guān)鍵制約點(diǎn)。未來(lái)我們認為取得一個(gè)碳化硅襯底的資源也會(huì )成為進(jìn)入下一代電動(dòng)車(chē)功率器件的入場(chǎng)門(mén)票?！?/p>

而氮化鎵產(chǎn)業(yè)還是IDM和垂直分工并存?！癐DM中，除了英諾賽科等極少數初創(chuàng )企業(yè)，都是以傳統功率半導體大廠(chǎng)為主，會(huì )更多考量產(chǎn)品成本等因素；而Fabless（芯片設計類(lèi)公司）則基本都是初創(chuàng )企業(yè)，目前已成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力?！?/p>

“從整體供應鏈環(huán)節分析，核心環(huán)節還是在襯底，外延部分正在被襯底以及下游廠(chǎng)商加速滲透，器件環(huán)節也有一定壁壘?！饼徣痱湵硎?，其中襯底部分的價(jià)值占比幾乎達到晶圓中的一半，這其中有很大競爭壁壘，“現在主流的襯底廠(chǎng)基本都是自己制造設備，然后結合自身對工藝的理解去做生產(chǎn)，因此也存在供應鏈壁壘，目前要穩定量產(chǎn)襯底并不容易?！?/p>

8英寸量產(chǎn)搖擺

回顧國內，從近期各地政府發(fā)布的科技相關(guān)發(fā)展規劃中，包括廣東、安徽等省份都不約而同提到了將第三代半導體材料、工藝、器件等列為研發(fā)重點(diǎn)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司也在近些年間有相關(guān)工廠(chǎng)落地。

不過(guò)需要注意到當前各地積極建設產(chǎn)能的時(shí)點(diǎn)問(wèn)題。沈波提示到，在國家發(fā)改委的窗口指導下，長(cháng)遠來(lái)看第三代半導體功率電子產(chǎn)業(yè)建設不會(huì )像太陽(yáng)能電池和LED產(chǎn)業(yè)那樣出現產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題；但中短期來(lái)看，倘若目前各地計劃的產(chǎn)線(xiàn)全部量產(chǎn)，沒(méi)有控制，則可能會(huì )面臨階段性產(chǎn)能過(guò)剩。

龔瑞驕也向記者指出，國內對于第三代半導體襯底材料正處在多點(diǎn)開(kāi)花布局狀態(tài)，據統計，2020年整個(gè)寬禁帶半導體的投資規模達到709億，比上一年翻了一倍多?！澳壳皣鴥群芏嘁r底布局多集中在二三線(xiàn)城市，但整個(gè)產(chǎn)業(yè)的人才有限、通線(xiàn)達產(chǎn)率不高，可能存在一定未來(lái)產(chǎn)能過(guò)剩的風(fēng)險。因此我認為需要政府進(jìn)行一定干預，這也需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)界上下游共同協(xié)同推動(dòng)良性發(fā)展?！?/p>

作為高價(jià)值鏈的產(chǎn)業(yè)環(huán)節，對襯底部分的投入進(jìn)程備受關(guān)注，而當下選擇的投產(chǎn)尺寸就顯得較為重要。

沈波指出，目前在碳化硅方面，我們國家從技術(shù)到裝備，除個(gè)別地方外，已經(jīng)基本掌握，只是技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)水平還有較大差距，比如在8英寸襯底的研發(fā)上國內還沒(méi)有那么快。雖然國際龍頭公司W(wǎng)olfspeed早已做出相關(guān)產(chǎn)品，但并未導入大規模量產(chǎn)。這是因為市場(chǎng)還沒(méi)出現對8英寸碳化硅襯底晶圓的巨大需求。

“碳化硅的成本與硅基的演進(jìn)不同。硅基有晶圓尺寸越大、成本越低的規律，但碳化硅產(chǎn)品由于是寬禁帶半導體，有易碎特性、加工成品率也不高，目前正是這種狀況。那么到了8英寸晶圓的成品率就會(huì )更低?！彼治龅?，目前國際上對于投產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓是否在經(jīng)濟上合理還處在見(jiàn)仁見(jiàn)智的階段，是否全面轉向以8英寸晶圓為主體還沒(méi)有確定性的答案。國內新建的碳化硅晶圓產(chǎn)線(xiàn)均以6英寸為主，目前來(lái)說(shuō)其綜合性?xún)r(jià)比是最高的。

龔瑞驕也認為，預計在5-8年內，8英寸碳化硅晶圓不會(huì )帶來(lái)壓倒性?xún)?yōu)勢。因為其前期階段良率低、價(jià)格非常高；同時(shí)晶圓廠(chǎng)也需要升級，從6英寸到8英寸的過(guò)程復雜，需要相對漫長(cháng)的時(shí)間。

“目前襯底、外延供應都沒(méi)問(wèn)題，6英寸技術(shù)轉型也沒(méi)有任何問(wèn)題。真正的現狀是需求量還不夠大，因此產(chǎn)能還沒(méi)完全釋放?！鄙虿ㄖ赋?。

據預測，2025到2030年，4英寸碳化硅襯底產(chǎn)品會(huì )退出市場(chǎng)，6英寸襯底需求約20萬(wàn)片，碳化硅整體晶片市場(chǎng)到2030年將達到150億美元。

商用進(jìn)程循序漸進(jìn)

真正引發(fā)市場(chǎng)對第三代半導體關(guān)注熱潮的，除了我們國家在相關(guān)技術(shù)儲備不存在與全球大廠(chǎng)明顯的技術(shù)代際差距之外，也有來(lái)自新能源汽車(chē)廠(chǎng)商的積極擁抱。這以特斯拉在Model 3車(chē)型采用碳化硅模塊為典型代表。

但業(yè)內普遍的觀(guān)點(diǎn)指出，即便在電動(dòng)汽車(chē)應用中，第三代半導體也并不會(huì )存在徹底替代第一代半導體的進(jìn)展。

碳化硅器件在應用過(guò)程中面臨的最大掣肘就是成本?！昂?，但是碳化硅模塊偏貴?！鄙虿ㄏ蛴浾咧赋?，除此之外，還面臨著(zhù)供貨限制，因為國內還沒(méi)有公司的碳化硅器件可以做到車(chē)規級，并且工藝也需要繼續迭代，應用在電子領(lǐng)域的高端碳化硅器件與海外還存在很大的技術(shù)差距。目前在車(chē)規級認證方面，多是如意法半導體、英飛凌、羅姆等國際知名大企業(yè)，迄今供應量有限，但整車(chē)廠(chǎng)會(huì )需要穩定的大量貨源。

同時(shí)，目前階段來(lái)說(shuō)，功率半導體市場(chǎng)上MOSFET、IGBT等硅基產(chǎn)品依然在大量使用，處于主導地位。意味著(zhù)第三代半導體功率器件是在與硅基產(chǎn)品直接競爭，只有前者能夠做到硅基達不到的性?xún)r(jià)比和應用效果，才能更好實(shí)現替代。比如在激光雷達、5G移動(dòng)通訊領(lǐng)域，硅基無(wú)法滿(mǎn)足其應用需求，那么第三代半導體進(jìn)行填補的速度會(huì )更快。但總體來(lái)說(shuō)，替代趨勢將是一個(gè)逐步而緩慢的過(guò)程，在部分硅基器件性能不能滿(mǎn)足要求的細分市場(chǎng)和新應用領(lǐng)域，替代會(huì )比較快。

“目前造車(chē)新勢力都在積極與碳化硅廠(chǎng)商合作，但真正商用落地也還需要時(shí)間?！鄙虿ㄟM(jìn)一步分析，因為碳化硅器件的應用并不是簡(jiǎn)單把硅基相關(guān)產(chǎn)品替換，而是需要對整車(chē)系統進(jìn)行調整，甚至是重新設計，這意味著(zhù)現階段已經(jīng)全面定型投產(chǎn)的新能源汽車(chē)無(wú)法使用，需要等到汽車(chē)制造商推出汽車(chē)新產(chǎn)品，應用才能落地，另外，降低第三代半導體芯片成本也是關(guān)鍵要素之一。

不過(guò)龔瑞驕指出，的確單從碳化硅模組器件來(lái)說(shuō)，成本提到了3倍左右，但是倘若綜合來(lái)看系統性成本，相關(guān)模組應用在汽車(chē)中將減輕體積、提高效率、縮減電池成本等，因此綜合對整車(chē)系統會(huì )帶來(lái)成本下降。尤其隨著(zhù)Wolfspeed也將推出8英寸碳化硅晶圓產(chǎn)品后，將對應用價(jià)格帶來(lái)較大沖擊。

他判斷，目前第三代半導體材料在整個(gè)功率半導體應用的份額不到5%，預計到2025年將達到17%-18%。

沈波認為，總體上第三代半導體芯片與硅基芯片會(huì )是替代、部分替代或共存的關(guān)系。比如在射頻芯片方面會(huì )是替代關(guān)系，功率半導體則會(huì )是部分替代和共存的關(guān)系?！肮杌β孰娮影l(fā)展非常成熟、也很便宜，因此我認為硅基芯片依然會(huì )是第一大市場(chǎng)，并不是所有場(chǎng)合都需要高性能的第三代半導體芯片?！?/p>

隨著(zhù)新需求的不斷興起，他認為，第三代半導體的市場(chǎng)份額會(huì )逐步提高?！肮β拾雽w是一個(gè)群雄并起、各自細分的市場(chǎng)，一般來(lái)說(shuō)側重中高電壓、功率密度高的領(lǐng)域，碳化硅會(huì )更適合；側重工作頻率方面，氮化鎵會(huì )更有優(yōu)勢?！?/p>

類(lèi)比較早應用到第三代半導體的照明市場(chǎng)，沈波回顧道，“我們國家用了20年時(shí)間，實(shí)現把40%的傳統燈泡替換成LED燈，這個(gè)技術(shù)進(jìn)步走在世界前列。這背后需要整個(gè)照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的不斷進(jìn)步，整個(gè)產(chǎn)業(yè)一起配合。以此類(lèi)比，在未來(lái)，射頻和功率半導體市場(chǎng)上，第三代半導體無(wú)疑會(huì )是主角之一?！?/p>

據TrendForce集邦咨詢(xún)綜合分析，碳化硅功率市場(chǎng)規模將從2020年的6.8億美元增長(cháng)至2025年的33.9億美元，年復合增長(cháng)率38%；全球氮化鎵功率市場(chǎng)規模預計將從2020年的4800萬(wàn)美元增長(cháng)到2025年的13.2億美元，年復合增長(cháng)率將達94%。