第三代半導體擴產(chǎn)，硅的時(shí)代要結束了嗎

芯片行業(yè)的砍單潮已經(jīng)將寒氣傳遞給了眾多企業(yè)，三星半導體部門(mén)負責人Kyung Kye-hyun就預計芯片銷(xiāo)售大幅下滑態(tài)勢將延續至明年；野村證券最近也將今年全球芯片出貨成長(cháng)率由原先預估的9.9%大砍至5.7%、2023年由衰退0.5%擴大至衰退6%；費城半導體指數 (SOX)近6個(gè)月（截至9月21日）更是跌了26.53%。

但此時(shí)，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體材料卻在迎來(lái)市場(chǎng)倍增與產(chǎn)能擴張。 

安森美二季度財報發(fā)布后，就將其2022年碳化硅營(yíng)收預期上調為“同比增長(cháng)3倍”，而此前目標只是增長(cháng)1倍；預計到2023年，碳化硅業(yè)務(wù)收入將超過(guò)10億美元。3倍只是開(kāi)始，甚至10倍都不止：安森美還計劃在2025年前將把公司的碳化硅前道工藝產(chǎn)能擴大到目前的10倍以上。

意法半導體二季度財報也預計，2022年意法半導體碳化硅業(yè)務(wù)將獲得7億美元收入，到2023年將達到10億美元。意法半導體還是特斯拉碳化硅功率模塊的主要供應商——受益于汽車(chē)、工業(yè)等領(lǐng)域對碳化硅的需求，意法半導體同樣在籌劃擴產(chǎn)。

Wolfspeed今年上半年也宣布將在北卡羅來(lái)納州查塔姆縣建造新的碳化硅工廠(chǎng)，2030年完工后將成為世界上最大的碳化硅材料工廠(chǎng)，其碳化硅晶圓制造能力增加約13倍，而目前Wolfspeed生產(chǎn)的碳化硅已經(jīng)占全球碳化硅的60%以上。新工廠(chǎng)總投資將達到50億美元，為此Wolfspeed還將申請與《芯片和科學(xué)法案》相關(guān)的聯(lián)邦政府撥款。

有趣的是，Wolfspeed本是全球LED照明巨頭科銳（Cree）旗下專(zhuān)注碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料的部門(mén)。Cree原計劃將Wolfspeed賣(mài)給德國企業(yè)英飛凌，但由于美國國防部以國家安全為理由反對，最終Cree剝離掉原本占比三分之二的照明業(yè)務(wù)，在2021年10月正式宣布更名Wolfspeed，成為一家專(zhuān)注于第三代半導體的企業(yè)。

三倍、十倍、十三倍……不管是短期還是中長(cháng)期，這些海外第三代半導體企業(yè)都有著(zhù)非常高的預期增長(cháng)倍數。這還僅僅是第三代半導體中碳化硅這一種材料，氮化鎵等其他材料，同樣有著(zhù)高增長(cháng)預期，與芯片行業(yè)砍單的“冷清”形成鮮明對比。

為什么出現這種冰火兩重天？第三代半導體在當下中美高科技競爭的形勢下，又有著(zhù)怎樣的意義？

材料革命

硅基芯片的下行，有著(zhù)國際博弈、非理性囤貨等帶來(lái)的周期性波動(dòng)影響。碳化硅等第三代半導體在這一紛繁局面下的興起，卻更多是技術(shù)成熟之后其材料優(yōu)勢所致。

Wolfspeed公司首席技術(shù)官John Palmour就指出，一輛電動(dòng)汽車(chē)采用碳化硅元器件的價(jià)值約在 250 美元至 500 美元之間（取決于其功率要求），但碳化硅元器件卻能夠為汽車(chē)制造商在電池成本、電池和逆變器的體積與重量以及冷卻要求等多個(gè)方面節省成本，每輛車(chē)節省總成本可高達 2000 美元。

500美元付出換取2000美元收益，這是一個(gè)非常劃算的投入產(chǎn)出比。據EV-Volumes統計，2021年全球銷(xiāo)售電動(dòng)車(chē)達650萬(wàn)輛，其中，純電汽車(chē)銷(xiāo)量約為460萬(wàn)輛，混合動(dòng)力車(chē)型銷(xiāo)量約為190萬(wàn)輛。不管是純電還是混合動(dòng)力，都對碳化硅等元器件有需求，僅以650萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)計算，碳化硅在電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的規模也有3.25億美元。

看起來(lái)，似乎還是不夠大？但碳化硅在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的大發(fā)展，僅僅只是一部分應用，在更多領(lǐng)域，第三代半導體還有著(zhù)廣泛的市場(chǎng)空間。

8月份，氮化鎵龍頭就以總價(jià)接近3億美元，收購2021年營(yíng)收位居全球前八的碳化硅企業(yè)GeneSiC。納微半導體還預測：到2026年，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）功率技術(shù)的綜合市場(chǎng)機會(huì )將超過(guò)200億美元。

正因此，納微半導體才決定：氮化鎵和碳化硅兩種材料的市場(chǎng)全都要抓。并且，納微半導體也在汽車(chē)及更多領(lǐng)域開(kāi)拓，為這一場(chǎng)材料革命儲備盡可能多的客戶(hù)。

在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，納微客戶(hù)包括比亞迪、路虎、梅賽德斯 AMG、吉利等數十家巨頭。除了電動(dòng)汽車(chē)，納微還在太陽(yáng)能和儲能以及鐵路、電網(wǎng)、工業(yè)電機等更廣泛的工業(yè)市場(chǎng)擁有頭部客戶(hù)。

而在常見(jiàn)的汽車(chē)、消費電子快充裝置之外，無(wú)論是軍艦上的相控雷達，還是高鐵上的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT）器件，氮化鎵等材料都有著(zhù)廣泛且必不可少的應用，民用市場(chǎng)、軍用市場(chǎng)規模上限都很高。

對于未來(lái)幾年市場(chǎng)，有人樂(lè )觀(guān)，同樣也有并不那么激進(jìn)的預測。TrendForce集邦咨詢(xún)卻預測：2025年第三代半導體碳化硅/氮化鎵功率市場(chǎng)規模合計可達47.1億美元，相比2020年7.3億美元CAGR為45%。增長(cháng)率雖高，但對比納微2026年超過(guò)200億美元市場(chǎng)的預測，相隔一年預測值卻有著(zhù)高達5倍以上的差別。

基于不同的計算方法以及各家智庫掌握數據的不同，預測值不同也屬正常。但大家沒(méi)有異議的，是對產(chǎn)業(yè)未來(lái)高增長(cháng)趨勢的判斷。

高增長(cháng)帶來(lái)產(chǎn)業(yè)風(fēng)云變幻

眾多行業(yè)人士對第三代半導體產(chǎn)業(yè)的樂(lè )觀(guān)判斷，與電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)等以電為核心驅動(dòng)的產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)起的需求有很大關(guān)系。

要想讓電動(dòng)車(chē)續航更長(cháng)，一靠開(kāi)源，那就得增加電池容量；二靠節流，比如采用低損耗、耐高溫及耐高壓的碳化硅功率元件。

由于碳化硅禁帶寬度是硅的3倍，導熱率為硅的4-5倍，擊穿電壓為硅的8倍，電子飽和漂移速率為硅的2倍，在高電壓、大功率工作環(huán)境下其性能更加優(yōu)異，且電流傳導效率更高。電動(dòng)汽車(chē)如果采用第三代半導體碳化硅功率模塊，可節約電動(dòng)車(chē)整體能耗5%至10%。

天風(fēng)證券測算，電動(dòng)車(chē)使用碳化硅材料可讓電機逆變器效率提升4%，并至少提高7%續航。而2018年特斯拉在 Model 3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊的案例數據也顯示，在相同功率等級下，碳化硅模塊封裝尺寸明顯小于硅模塊，且開(kāi)關(guān)損耗降低了75%，系統效率可以提高5%左右。這種替換成本每輛車(chē)盡管增加近1500元，但整車(chē)效率的提升可以在同樣續航下使用更小的動(dòng)力電池，從而在電池端將成本省回來(lái)。

但單汽車(chē)本身提高的百十公里或者更多續航里程，并不足以緩解人們的續航焦慮。甚至建立堪比加油站密度的充電站網(wǎng)絡(luò )，也并非緩解續航焦慮的關(guān)鍵。

真正能緩解續航焦慮的，還是快充速度，而這，同樣離不開(kāi)第三代半導體。

據華為的一項研究，采用了800V高壓模式的快充支持30%-80% SOC（荷電狀態(tài)，反映電池的剩余容量）最大功率充電，而低壓大電流模式僅能在10%-20% SOC進(jìn)行最大功率充電，在其他區間充電功率下降得非常迅速。

但800V高壓快充會(huì )涉及到車(chē)內電源到車(chē)外充電整個(gè)強電鏈路，硅基IGBT芯片難堪重任，而具備耐高壓、耐高溫、高頻等優(yōu)勢的碳化硅器件是目前最佳的替代方案。

在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域之外，碳化硅期間還可以使特高壓電網(wǎng)損耗最高降低60%，軌道交通功率器件系統損耗降低20%以上。國家第三代半導體技術(shù)創(chuàng )新中心主任張魯川近日就表示，第三代半導體未來(lái)產(chǎn)業(yè)規模將高達數千億元人民幣。

這個(gè)預測其實(shí)沒(méi)有包括第三代半導體照明，而是對碳化硅、氮化鎵快速發(fā)展的樂(lè )觀(guān)預測。

如果將半導體照明計算在內，據CASA數據，2020年我國第三代半導體整體產(chǎn)值超過(guò)7100億。其中，半導體照明整體產(chǎn)值約7013億元，同比下降7.1%；碳化硅、氮化鎵電力電子產(chǎn)值規模達44.7億元，同比增長(cháng)54%；氮化鎵微波射頻產(chǎn)值達到60.8億元，同比增長(cháng)80.3%。

在以電為核心的諸多產(chǎn)業(yè)中，中國已經(jīng)在電池領(lǐng)域成為全球產(chǎn)能第一。中國在國際產(chǎn)業(yè)競爭中，往往是先取得產(chǎn)能、規模上的第一，再借助產(chǎn)能優(yōu)勢逐漸攀升技術(shù)制高點(diǎn)。光伏產(chǎn)業(yè)就非常典型，而第三代半導體產(chǎn)業(yè)，能否復制這條成功之路呢？

中企何為

美國當然不會(huì )坐視中國的產(chǎn)業(yè)逆襲：哪怕是對中國已經(jīng)逆襲成功但還未形成類(lèi)似光伏產(chǎn)業(yè)全球獨家大產(chǎn)能的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)，美國已經(jīng)開(kāi)啟了圍堵之路。

在全球動(dòng)力電池企業(yè)前十名中，中國廠(chǎng)商已經(jīng)占據六席，寧德時(shí)代上半年全球市場(chǎng)份額更是從 28.6% 上升到 34.8%。而美國總統拜登在8月簽署的《2022年通脹削減法案》（Inflation Reduction Act）就針對動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規定，2024年起，電池成分中包含任何產(chǎn)自“特別關(guān)注國”名單中的國家（中國在列），將不再適用補貼。

對此商務(wù)部新聞發(fā)言人束玨婷9月22日稱(chēng)，該法案相關(guān)措施以整車(chē)北美當地組裝等條件作為提供補貼的前提，對其他進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品構成歧視，涉嫌違反世貿組織最惠國待遇、國民待遇等原則。

但只要自身技術(shù)夠硬，其實(shí)就無(wú)懼相關(guān)法案的圍堵。

如前不久美國防部宣布將暫停接收F-35隱身戰機，就是因為在其配套的渦輪發(fā)動(dòng)機中，發(fā)現了中國制造的特殊磁鐵。但由于全球并沒(méi)有其他國家可以供應這種特殊磁鐵，9月21日美國白宮只能表示，已決定不限制從中國進(jìn)口這種燒結釹磁體。

而在第三代半導體領(lǐng)域，國內的碳化硅項目吸引汽車(chē)巨頭參與投入，上汽、北汽、廣汽、吉利等大型汽車(chē)集團正在加大本土碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的投資力度。同時(shí)，中國已經(jīng)有一大批上市或待上市企業(yè)積極布局，且上半年增長(cháng)飛速。

北方華創(chuàng )半年報顯示，上半年獲得營(yíng)業(yè)收入54.44億元，同比增長(cháng)50.87%；凈利7.55億元，同比增長(cháng)143.16%。斯達半導上半年實(shí)現營(yíng)業(yè)收入11.54億元，同比增長(cháng)60.53%；凈利3.47億元，同比增長(cháng)125.05%。

據央視財經(jīng)報道，中國電科的碳化硅器件裝車(chē)量已經(jīng)達到100萬(wàn)臺，旗下企業(yè)已經(jīng)實(shí)現了6英寸碳化硅晶片的規?；a(chǎn)，年產(chǎn)能達到15萬(wàn)片，處于國內前列。今年3月，還率先發(fā)布了新一代8英寸碳化硅晶片產(chǎn)品。

中國電科第55研究所研發(fā)的以氮化鎵功率放大器為主的多款產(chǎn)品，甚至還用于問(wèn)天實(shí)驗艙發(fā)射任務(wù)，并標志著(zhù)氮化鎵功放芯片首次在星載領(lǐng)域實(shí)現批量工程化應用。

圖源：中國載人航天工程網(wǎng)

天岳先進(jìn)也在近日宣布，已成功研發(fā)8英寸碳化硅襯底，具有良好的結晶質(zhì)量，且在粉料合成、熱場(chǎng)設計、工藝固化、過(guò)程控制、加工檢測等全流程實(shí)現技術(shù)自主可控。

而在氮化鎵領(lǐng)域，國內企業(yè)在襯底、外延、設計、制造等領(lǐng)域均已實(shí)現布局，例如襯底制造商蘇州納維、東莞中鎵；外延制造商晶湛半導體、江蘇能華；設計企業(yè)安譜隆、海思半導體；制造企業(yè)三安集成、海威華芯等。據飛鯨投研，第三代半導體難點(diǎn)不在設備、不在邏輯電路設計，而在于工藝，相比較邏輯芯片難度降低；且對設備要求相對較低，投資額相對較小。

這些，都是對中國有利的因素。第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟理事長(cháng)吳玲就曾在采訪(fǎng)中指出，相較硅集成電路，第三代半導體材料對芯片性能起決定性作用，芯片制造工藝門(mén)檻相對低、投資小，對尺寸線(xiàn)寬、設計復雜度的要求遠低于硅集成電路，在材料、裝備、設計和芯片代工方面都有發(fā)展勢頭好的企業(yè)，是適合中國目前發(fā)力的半導體具體領(lǐng)域。

在國家政策和資金支持下，各地方政府掀起了第三代半導體投資熱潮，目前已初步形成了京津冀魯、長(cháng)三角、珠三角、閩三角、中西部等五大重點(diǎn)發(fā)展區域，北京、深圳、濟南、保定等多個(gè)城市都有深入布局，政府也“置身事內”，打造覆蓋襯底、外延、芯片及器件、模組、封裝檢測以及設備和材料研發(fā)的第三代半導體全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。

Yole數據顯示，硅仍是半導體材料主流，占比95%。隨著(zhù)第三代半導體滲透率逐年上升，2023年，碳化硅的滲透率有望達到3.75%，氮化鎵滲透率達到1.0%，兩者合計第三代半導體滲透率則可以達到4.75%。

盡管第三代半導體和第一代、第二代并非替代關(guān)系，而是互補關(guān)系。硅的時(shí)代不會(huì )結束，但第三代半導體逐漸提高滲透率之后，肯定會(huì )擠占硅的滲透率。而這也將是中國企業(yè)反超國際巨頭的一次機會(huì )。