第三代半导体扩产，硅的时代要结束了吗？「第三代半导体产业发展」

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文｜陈俊一

编辑 | 马渭淞 常亮

题图 | Pixabay

芯片行业的砍单潮已经将寒气传递给了众多企业，三星半导体部门负责人Kyung Kye-hyun就预计芯片销售大幅下滑态势将延续至明年；野村证券最近也将今年全球芯片出货成长率由原先预估的9.9%大砍至5.7%、2023年由衰退0.5%扩大至衰退6%；费城半导体指数 (SOX)近6个月（截至9月21日）更是跌了26.53%。

但此时，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料却在迎来市场倍增与产能扩张。

安森美二季度财报发布后，就将其2022年碳化硅营收预期上调为“同比增长3倍”，而此前目标只是增长1倍；预计到2023年，碳化硅业务收入将超过10亿美元。3倍只是开始，甚至10倍都不止：安森美还计划在2025年前将把公司的碳化硅前道工艺产能扩大到目前的10倍以上。

意法半导体二季度财报也预计，2022年意法半导体碳化硅业务将获得7亿美元收入，到2023年将达到10亿美元。意法半导体还是特斯拉碳化硅功率模块的主要供应商——受益于汽车、工业等领域对碳化硅的需求，意法半导体同样在筹划扩产。

Wolfspeed今年上半年也宣布将在北卡罗来纳州查塔姆县建造新的碳化硅工厂，2030年完工后将成为世界上最大的碳化硅材料工厂，其碳化硅晶圆制造能力增加约13倍，而目前Wolfspeed生产的碳化硅已经占全球碳化硅的60%以上。新工厂总投资将达到50亿美元，为此Wolfspeed还将申请与《芯片和科学法案》相关的联邦政府拨款。

有趣的是，Wolfspeed本是全球LED照明巨头科锐（Cree）旗下专注碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料的部门。Cree原计划将Wolfspeed卖给德国企业英飞凌，但由于美国国防部以国家安全为理由反对，最终Cree剥离掉原本占比三分之二的照明业务，在2021年10月正式宣布更名Wolfspeed，成为一家专注于第三代半导体的企业。

三倍、十倍、十三倍……不管是短期还是中长期，这些海外第三代半导体企业都有着非常高的预期增长倍数。这还仅仅是第三代半导体中碳化硅这一种材料，氮化镓等其他材料，同样有着高增长预期，与芯片行业砍单的“冷清”形成鲜明对比。

为什么出现这种冰火两重天？第三代半导体在当下中美高科技竞争的形势下，又有着怎样的意义？

01

材料革命

硅基芯片的下行，有着国际博弈、非理性囤货等带来的周期性波动影响。碳化硅等第三代半导体在这一纷繁局面下的兴起，却更多是技术成熟之后其材料优势所致。

Wolfspeed公司首席技术官John Palmour就指出，一辆电动汽车采用碳化硅元器件的价值约在 250 美元至 500 美元之间（取决于其功率要求），但碳化硅元器件却能够为汽车制造商在电池成本、电池和逆变器的体积与重量以及冷却要求等多个方面节省成本，每辆车节省总成本可高达 2000 美元。

500美元付出换取2000美元收益，这是一个非常划算的投入产出比。据EV-Volumes统计，2021年全球销售电动车达650万辆，其中，纯电汽车销量约为460万辆，混合动力车型销量约为190万辆。不管是纯电还是混合动力，都对碳化硅等元器件有需求，仅以650万辆电动汽车计算，碳化硅在电动车市场的规模也有3.25亿美元。

看起来，似乎还是不够大？但碳化硅在电动汽车领域的大发展，仅仅只是一部分应用，在更多领域，第三代半导体还有着广泛的市场空间。

8月份，氮化镓龙头就以总价接近3亿美元，收购2021年营收位居全球前八的碳化硅企业GeneSiC。纳微半导体还预测：到2026年，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率技术的综合市场机会将超过200亿美元。

正因此，纳微半导体才决定：氮化镓和碳化硅两种材料的市场全都要抓。并且，纳微半导体也在汽车及更多领域开拓，为这一场材料革命储备尽可能多的客户。

在电动汽车领域，纳微客户包括比亚迪、路虎、梅赛德斯 AMG、吉利等数十家巨头。除了电动汽车，纳微还在太阳能和储能以及铁路、电网、工业电机等更广泛的工业市场拥有头部客户。

而在常见的汽车、消费电子快充装置之外，无论是军舰上的相控雷达，还是高铁上的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT）器件，氮化镓等材料都有着广泛且必不可少的应用，民用市场、军用市场规模上限都很高。

对于未来几年市场，有人乐观，同样也有并不那么激进的预测。TrendForce集邦咨询却预测：2025年第三代半导体碳化硅/氮化镓功率市场规模合计可达47.1亿美元，相比2020年7.3亿美元CAGR为45%。增长率虽高，但对比纳微2026年超过200亿美元市场的预测，相隔一年预测值却有着高达5倍以上的差别。

基于不同的计算方法以及各家智库掌握数据的不同，预测值不同也属正常。但大家没有异议的，是对产业未来高增长趋势的判断。

02

高增长带来产业风云变幻

众多行业人士对第三代半导体产业的乐观判断，与电动汽车产业等以电为核心驱动的产业拉动起的需求有很大关系。

要想让电动车续航更长，一靠开源，那就得增加电池容量；二靠节流，比如采用低损耗、耐高温及耐高压的碳化硅功率元件。

由于碳化硅禁带宽度是硅的3倍，导热率为硅的4-5倍，击穿电压为硅的8倍，电子饱和漂移速率为硅的2倍，在高电压、大功率工作环境下其性能更加优异，且电流传导效率更高。电动汽车如果采用第三代半导体碳化硅功率模块，可节约电动车整体能耗5%至10%。

天风证券测算，电动车使用碳化硅材料可让电机逆变器效率提升4%，并至少提高7%续航。而2018年特斯拉在 Model 3中首次将IGBT模块换成了SiC模块的案例数据也显示，在相同功率等级下，碳化硅模块封装尺寸明显小于硅模块，且开关损耗降低了75%，系统效率可以提高5%左右。这种替换成本每辆车尽管增加近1500元，但整车效率的提升可以在同样续航下使用更小的动力电池，从而在电池端将成本省回来。

但单汽车本身提高的百十公里或者更多续航里程，并不足以缓解人们的续航焦虑。甚至建立堪比加油站密度的充电站网络，也并非缓解续航焦虑的关键。

真正能缓解续航焦虑的，还是快充速度，而这，同样离不开第三代半导体。

据华为的一项研究，采用了800V高压模式的快充支持30%-80% SOC（荷电状态，反映电池的剩余容量）最大功率充电，而低压大电流模式仅能在10%-20% SOC进行最大功率充电，在其他区间充电功率下降得非常迅速。

但800V高压快充会涉及到车内电源到车外充电整个强电链路，硅基IGBT芯片难堪重任，而具备耐高压、耐高温、高频等优势的碳化硅器件是目前最佳的替代方案。

在电动车领域之外，碳化硅期间还可以使特高压电网损耗最高降低60%，轨道交通功率器件系统损耗降低20%以上。国家第三代半导体技术创新中心主任张鲁川近日就表示，第三代半导体未来产业规模将高达数千亿元人民币。

这个预测其实没有包括第三代半导体照明，而是对碳化硅、氮化镓快速发展的乐观预测。

如果将半导体照明计算在内，据CASA数据，2020年我国第三代半导体整体产值超过7100亿。其中，半导体照明整体产值约7013亿元，同比下降7.1%；碳化硅、氮化镓电力电子产值规模达44.7亿元，同比增长54%；氮化镓微波射频产值达到60.8亿元，同比增长80.3%。

在以电为核心的诸多产业中，中国已经在电池领域成为全球产能第一。中国在国际产业竞争中，往往是先取得产能、规模上的第一，再借助产能优势逐渐攀升技术制高点。光伏产业就非常典型，而第三代半导体产业，能否复制这条成功之路呢？

03

中企何为

美国当然不会坐视中国的产业逆袭：哪怕是对中国已经逆袭成功但还未形成类似光伏产业全球独家大产能的动力电池产业，美国已经开启了围堵之路。

在全球动力电池企业前十名中，中国厂商已经占据六席，宁德时代上半年全球市场份额更是从 28.6% 上升到 34.8%。而美国总统拜登在8月签署的《2022年通胀削减法案》（Inflation Reduction Act）就针对动力电池产业规定，2024年起，电池成分中包含任何产自“特别关注国”名单中的国家（中国在列），将不再适用补贴。

对此商务部新闻发言人束珏婷9月22日称，该法案相关措施以整车北美当地组装等条件作为提供补贴的前提，对其他进口同类产品构成歧视，涉嫌违反世贸组织最惠国待遇、国民待遇等原则。

但只要自身技术够硬，其实就无惧相关法案的围堵。

如前不久美国防部宣布将暂停接收F-35隐身战机，就是因为在其配套的涡轮发动机中，发现了中国制造的特殊磁铁。但由于全球并没有其他国家可以供应这种特殊磁铁，9月21日美国白宫只能表示，已决定不限制从中国进口这种烧结钕磁体。

而在第三代半导体领域，国内的碳化硅项目吸引汽车巨头参与投入，上汽、北汽、广汽、吉利等大型汽车集团正在加大本土碳化硅产业链的投资力度。同时，中国已经有一大批上市或待上市企业积极布局，且上半年增长飞速。

北方华创半年报显示，上半年获得营业收入54.44亿元，同比增长50.87%；净利7.55亿元，同比增长143.16%。斯达半导上半年实现营业收入11.54亿元，同比增长60.53%；净利3.47亿元，同比增长125.05%。

据央视财经报道，中国电科的碳化硅器件装车量已经达到100万台，旗下企业已经实现了6英寸碳化硅晶片的规模化生产，年产能达到15万片，处于国内前列。今年3月，还率先发布了新一代8英寸碳化硅晶片产品。

中国电科第55研究所研发的以氮化镓功率放大器为主的多款产品，甚至还用于问天实验舱发射任务，并标志着氮化镓功放芯片首次在星载领域实现批量工程化应用。

图源：中国载人航天工程网

天岳先进也在近日宣布，已成功研发8英寸碳化硅衬底，具有良好的结晶质量，且在粉料合成、热场设计、工艺固化、过程控制、加工检测等全流程实现技术自主可控。

而在氮化镓领域，国内企业在衬底、外延、设计、制造等领域均已实现布局，例如衬底制造商苏州纳维、东莞中镓；外延制造商晶湛半导体、江苏能华；设计企业安谱隆、海思半导体；制造企业三安集成、海威华芯等。据飞鲸投研，第三代半导体难点不在设备、不在逻辑电路设计，而在于工艺，相比较逻辑芯片难度降低；且对设备要求相对较低，投资额相对较小。

这些，都是对中国有利的因素。第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲就曾在采访中指出，相较硅集成电路，第三代半导体材料对芯片性能起决定性作用，芯片制造工艺门槛相对低、投资小，对尺寸线宽、设计复杂度的要求远低于硅集成电路，在材料、装备、设计和芯片代工方面都有发展势头好的企业，是适合中国目前发力的半导体具体领域。

在国家政策和资金支持下，各地方政府掀起了第三代半导体投资热潮，目前已初步形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域，北京、深圳、济南、保定等多个城市都有深入布局，政府也“置身事内”，打造覆盖衬底、外延、芯片及器件、模组、封装检测以及设备和材料研发的第三代半导体全产业链生态。

Yole数据显示，硅仍是半导体材料主流，占比95%。随着第三代半导体渗透率逐年上升，2023年，碳化硅的渗透率有望达到3.75%，氮化镓渗透率达到1.0%，两者合计第三代半导体渗透率则可以达到4.75%。

尽管第三代半导体和第一代、第二代并非替代关系，而是互补关系。硅的时代不会结束，但第三代半导体逐渐提高渗透率之后，肯定会挤占硅的渗透率。而这也将是中国企业反超国际巨头的一次机会。