第三代半導(dǎo)體擴(kuò)產(chǎn)，硅的時(shí)代要結(jié)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(dǎo)體部門負(fù)責(zé)人Kyung Kye-hyun就預(yù)計(jì)芯片銷售大幅下滑態(tài)勢將延續(xù)至明年；野村證券最近也將今年全球芯片出貨成長率由原先預(yù)估的9.9%大砍至5.7%、2023年由衰退0.5%擴(kuò)大至衰退6%；費(fèi)城半導(dǎo)體指數(shù) (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(dǎo)體材料卻在迎來市場倍增與產(chǎn)能擴(kuò)張。 

安森美二季度財(cái)報(bào)發(fā)布后，就將其2022年碳化硅營收預(yù)期上調(diào)為“同比增長3倍”，而此前目標(biāo)只是增長1倍；預(yù)計(jì)到2023年，碳化硅業(yè)務(wù)收入將超過10億美元。3倍只是開始，甚至10倍都不止：安森美還計(jì)劃在2025年前將把公司的碳化硅前道工藝產(chǎn)能擴(kuò)大到目前的10倍以上。

意法半導(dǎo)體二季度財(cái)報(bào)也預(yù)計(jì)，2022年意法半導(dǎo)體碳化硅業(yè)務(wù)將獲得7億美元收入，到2023年將達(dá)到10億美元。意法半導(dǎo)體還是特斯拉碳化硅功率模塊的主要供應(yīng)商——受益于汽車、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)μ蓟璧男枨螅夥ò雽?dǎo)體同樣在籌劃擴(kuò)產(chǎn)。

Wolfspeed今年上半年也宣布將在北卡羅來納州查塔姆縣建造新的碳化硅工廠，2030年完工后將成為世界上最大的碳化硅材料工廠，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。新工廠總投資將達(dá)到50億美元，為此Wolfspeed還將申請(qǐng)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）旗下專注碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料的部門。Cree原計(jì)劃將Wolfspeed賣給德國企業(yè)英飛凌，但由于美國國防部以國家安全為理由反對(duì)，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，成為一家專注于第三代半導(dǎo)體的企業(yè)。

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

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

材料革命

硅基芯片的下行，有著國際博弈、非理性囤貨等帶來的周期性波動(dòng)影響。碳化硅等第三代半導(dǎo)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?yàn)槠囍圃焐淘陔姵爻杀?、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(jié)省成本，每輛車節(jié)省總成本可高達(dá) 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(jù)EV-Volumes統(tǒng)計(jì)，2021年全球銷售電動(dòng)車達(dá)650萬輛，其中，純電汽車銷量約為460萬輛，混合動(dòng)力車型銷量約為190萬輛。不管是純電還是混合動(dòng)力，都對(duì)碳化硅等元器件有需求，僅以650萬輛電動(dòng)汽車計(jì)算，碳化硅在電動(dòng)車市場的規(guī)模也有3.25億美元。

看起來，似乎還是不夠大？但碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的大發(fā)展，僅僅只是一部分應(yīng)用，在更多領(lǐng)域，第三代半導(dǎo)體還有著廣泛的市場空間。

8月份，氮化鎵龍頭就以總價(jià)接近3億美元，收購2021年?duì)I收位居全球前八的碳化硅企業(yè)GeneSiC。納微半導(dǎo)體還預(yù)測：到2026年，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）功率技術(shù)的綜合市場機(jī)會(huì)將超過200億美元。

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

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，納微客戶包括比亞迪、路虎、梅賽德斯 AMG、吉利等數(shù)十家巨頭。除了電動(dòng)汽車，納微還在太陽能和儲(chǔ)能以及鐵路、電網(wǎng)、工業(yè)電機(jī)等更廣泛的工業(yè)市場擁有頭部客戶。

而在常見的汽車、消費(fèi)電子快充裝置之外，無論是軍艦上的相控雷達(dá)，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廣泛且必不可少的應(yīng)用，民用市場、軍用市場規(guī)模上限都很高。

對(duì)于未來幾年市場，有人樂觀，同樣也有并不那么激進(jìn)的預(yù)測。TrendForce集邦咨詢卻預(yù)測：2025年第三代半導(dǎo)體碳化硅/氮化鎵功率市場規(guī)模合計(jì)可達(dá)47.1億美元，相比2020年7.3億美元CAGR為45%。增長率雖高，但對(duì)比納微2026年超過200億美元市場的預(yù)測，相隔一年預(yù)測值卻有著高達(dá)5倍以上的差別。

基于不同的計(jì)算方法以及各家智庫掌握數(shù)據(jù)的不同，預(yù)測值不同也屬正常。但大家沒有異議的，是對(duì)產(chǎn)業(yè)未來高增長趨勢的判斷。

高增長帶來產(chǎn)業(yè)風(fēng)云變幻

眾多行業(yè)人士對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的樂觀判斷，與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)等以電為核心驅(qū)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?yán)m(xù)航更長，一靠開源，那就得增加電池容量；二靠節(jié)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(dǎo)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(dǎo)效率更高。電動(dòng)汽車如果采用第三代半導(dǎo)體碳化硅功率模塊，可節(jié)約電動(dòng)車整體能耗5%至10%。

天風(fēng)證券測算，電動(dòng)車使用碳化硅材料可讓電機(jī)逆變器效率提升4%，并至少提高7%續(xù)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(shù)據(jù)也顯示，在相同功率等級(jí)下，碳化硅模塊封裝尺寸明顯小于硅模塊，且開關(guān)損耗降低了75%，系統(tǒng)效率可以提高5%左右。這種替換成本每輛車盡管增加近1500元，但整車效率的提升可以在同樣續(xù)航下使用更小的動(dòng)力電池，從而在電池端將成本省回來。

但單汽車本身提高的百十公里或者更多續(xù)航里程，并不足以緩解人們的續(xù)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(xù)航焦慮的關(guān)鍵。

真正能緩解續(xù)航焦慮的，還是快充速度，而這，同樣離不開第三代半導(dǎo)體。

據(jù)華為的一項(xiàng)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(qū)間充電功率下降得非常迅速。

但800V高壓快充會(huì)涉及到車內(nèi)電源到車外充電整個(gè)強(qiáng)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(tǒng)損耗降低20%以上。國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心主任張魯川近日就表示，第三代半導(dǎo)體未來產(chǎn)業(yè)規(guī)模將高達(dá)數(shù)千億元人民幣。

這個(gè)預(yù)測其實(shí)沒有包括第三代半導(dǎo)體照明，而是對(duì)碳化硅、氮化鎵快速發(fā)展的樂觀預(yù)測。

如果將半導(dǎo)體照明計(jì)算在內(nèi)，據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2020年我國第三代半導(dǎo)體整體產(chǎn)值超過7100億。其中，半導(dǎo)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(guī)模達(dá)44.7億元，同比增長54%；氮化鎵微波射頻產(chǎn)值達(dá)到60.8億元，同比增長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(guī)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，能否復(fù)制這條成功之路呢？

中企何為

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

在全球動(dòng)力電池企業(yè)前十名中，中國廠商已經(jīng)占據(jù)六席，寧德時(shí)代上半年全球市場份額更是從 28.6% 上升到 34.8%。而美國總統(tǒng)拜登在8月簽署的《2022年通脹削減法案》（Inflation Reduction Act）就針對(duì)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)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(bǔ)貼。

對(duì)此商務(wù)部新聞發(fā)言人束玨婷9月22日稱，該法案相關(guān)措施以整車北美當(dāng)?shù)亟M裝等條件作為提供補(bǔ)貼的前提，對(duì)其他進(jìn)口同類產(chǎn)品構(gòu)成歧視，涉嫌違反世貿(mào)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(zhàn)機(jī)，就是因?yàn)樵谄渑涮椎臏u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)現(xiàn)了中國制造的特殊磁鐵。但由于全球并沒有其他國家可以供應(yīng)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(jié)釹磁體。

而在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，國內(nèi)的碳化硅項(xiàng)目吸引汽車巨頭參與投入，上汽、北汽、廣汽、吉利等大型汽車集團(tuán)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，且上半年增長飛速。

北方華創(chuàng)半年報(bào)顯示，上半年獲得營業(yè)收入54.44億元，同比增長50.87%；凈利7.55億元，同比增長143.16%。斯達(dá)半導(dǎo)上半年實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入11.54億元，同比增長60.53%；凈利3.47億元，同比增長125.05%。

據(jù)央視財(cái)經(jīng)報(bào)道，中國電科的碳化硅器件裝車量已經(jīng)達(dá)到100萬臺(tái)，旗下企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6英寸碳化硅晶片的規(guī)?；a(chǎn)，年產(chǎn)能達(dá)到15萬片，處于國內(nèi)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，甚至還用于問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)，并標(biāo)志著氮化鎵功放芯片首次在星載領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量工程化應(yīng)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(jié)晶質(zhì)量，且在粉料合成、熱場設(shè)計(jì)、工藝固化、過程控制、加工檢測等全流程實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控。

而在氮化鎵領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)在襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造等領(lǐng)域均已實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體、江蘇能華；設(shè)計(jì)企業(yè)安譜隆、海思半導(dǎo)體；制造企業(yè)三安集成、海威華芯等。據(jù)飛鯨投研，第三代半導(dǎo)體難點(diǎn)不在設(shè)備、不在邏輯電路設(shè)計(jì)，而在于工藝，相比較邏輯芯片難度降低；且對(duì)設(shè)備要求相對(duì)較低，投資額相對(duì)較小。

這些，都是對(duì)中國有利的因素。第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長吳玲就曾在采訪中指出，相較硅集成電路，第三代半導(dǎo)體材料對(duì)芯片性能起決定性作用，芯片制造工藝門檻相對(duì)低、投資小，對(duì)尺寸線寬、設(shè)計(jì)復(fù)雜度的要求遠(yuǎn)低于硅集成電路，在材料、裝備、設(shè)計(jì)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(dǎo)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(dǎo)體投資熱潮，目前已初步形成了京津冀魯、長三角、珠三角、閩三角、中西部等五大重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，北京、深圳、濟(jì)南、保定等多個(gè)城市都有深入布局，政府也“置身事內(nèi)”，打造覆蓋襯底、外延、芯片及器件、模組、封裝檢測以及設(shè)備和材料研發(fā)的第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。

Yole數(shù)據(jù)顯示，硅仍是半導(dǎo)體材料主流，占比95%。隨著第三代半導(dǎo)體滲透率逐年上升，2023年，碳化硅的滲透率有望達(dá)到3.75%，氮化鎵滲透率達(dá)到1.0%，兩者合計(jì)第三代半導(dǎo)體滲透率則可以達(dá)到4.75%。

盡管第三代半導(dǎo)體和第一代、第二代并非替代關(guān)系，而是互補(bǔ)關(guān)系。硅的時(shí)代不會(huì)結(jié)束，但第三代半導(dǎo)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(jī)會(huì)。