巨頭搶灘第三代半導(dǎo)體

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

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

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

再往前看，動作幅度更大的是Cree（科銳）。2021年10月，科銳經(jīng)過四年的徹底轉(zhuǎn)型，剝離掉原先占比2/3的業(yè)務(wù)，以更名Wolfspeed作為節(jié)點，重新定位將發(fā)力碳化硅技術(shù)和制造。在此之前的六年時間內(nèi)，Wolfspeed都只是作為科銳碳化硅材料和半導(dǎo)體器件事業(yè)部的一個品牌。

當(dāng)然，第三代半導(dǎo)體面向未來的發(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，但從縱深來說，目前成熟度已經(jīng)很高的硅基（第一代半導(dǎo)體，與第三代半導(dǎo)體不是代際替代關(guān)系）具備更普適的應(yīng)用優(yōu)勢，這奠定了硅基在晶圓/襯底材料市場9成以上的歷史份額，這在未來也不會輕易有顯著改變。

巨頭接連新建產(chǎn)線

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

意法半導(dǎo)體發(fā)布的2022財年財報指出，將投入約9億美元用于戰(zhàn)略投資，其中包括對新晶圓廠的工業(yè)化產(chǎn)線投資，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)績說明會上，該公司高管表示，預(yù)計在2024年將實現(xiàn)10億美元的碳化硅營收目標(biāo)，比原計劃提前一年，主要動力會來自于電動汽車相關(guān)產(chǎn)品的增長，工業(yè)端等領(lǐng)域的營收也會有所增加，但會相對分散，將體現(xiàn)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20億歐元，在馬來西亞新建第三代半導(dǎo)體模組廠。公司同時指出，希望通過加大在寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體的領(lǐng)導(dǎo)地位。待前述模組廠建設(shè)完成，將有望帶來每年在碳化硅和氮化鎵市場20億歐元的新增收入。

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

我國的相關(guān)建設(shè)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著相關(guān)技術(shù)研發(fā)和工廠落地。略有不同的可能是發(fā)展模式選擇。前述國際大廠多采用的是IDM模式，也即從晶圓廠到器件模組都有一定比重的自主生產(chǎn)，國內(nèi)則也有偏重發(fā)展某一個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的公司類型。

北京大學(xué)長江特聘教授、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波向21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者分析，目前，硅基半導(dǎo)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(xì)。至于第三代半導(dǎo)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(jié)論，應(yīng)該說各有各的優(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檻低。但這個模式的前提是，為他們代工的企業(yè)，技術(shù)要穩(wěn)定成熟?！彼m(xù)稱，從目前第三代半導(dǎo)體的代工企業(yè)來看，其數(shù)據(jù)庫和芯片技術(shù)還不如硅基市場成熟，僅有的少數(shù)幾個代工廠還有技術(shù)問題亟待解決，所以即便有代工廠，但不同廠商之間的水準(zhǔn)可能存在較大差距。

因此從這個角度看，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。所以事實上，目前國內(nèi)的第三代半導(dǎo)體企業(yè)，多以采用IDM模式占主導(dǎo)。但是假如等第三代半導(dǎo)體發(fā)展到硅基目前的成熟度來說，究竟是采用IDM還是代工，還很難下結(jié)論。“有可能代工模式更先進、專業(yè)分工帶來更高效率?！鄙虿ㄖ赋觥?/p>

集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕則向記者分析，兩種材料具體來看會有所不同。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。“我認(rèn)為主要是基于兩點原因：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(fù)雜、晶體生長非常緩慢，成為碳化硅晶圓產(chǎn)能的關(guān)鍵制約點。未來我們認(rèn)為取得一個碳化硅襯底的資源也會成為進入下一代電動車功率器件的入場門票?！?/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(shù)初創(chuàng)企業(yè)，都是以傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體大廠為主，會更多考量產(chǎn)品成本等因素；而Fabless（芯片設(shè)計類公司）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)鍵推動力?！?/p>

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

8英寸量產(chǎn)搖擺

回顧國內(nèi)，從近期各地政府發(fā)布的科技相關(guān)發(fā)展規(guī)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(dǎo)體材料、工藝、器件等列為研發(fā)重點，相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司也在近些年間有相關(guān)工廠落地。

不過需要注意到當(dāng)前各地積極建設(shè)產(chǎn)能的時點問題。沈波提示到，在國家發(fā)改委的窗口指導(dǎo)下，長遠(yuǎn)來看第三代半導(dǎo)體功率電子產(chǎn)業(yè)建設(shè)不會像太陽能電池和LED產(chǎn)業(yè)那樣出現(xiàn)產(chǎn)能過剩問題；但中短期來看，倘若目前各地計劃的產(chǎn)線全部量產(chǎn)，沒有控制，則可能會面臨階段性產(chǎn)能過剩。

龔瑞驕也向記者指出，國內(nèi)對于第三代半導(dǎo)體襯底材料正處在多點開花布局狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計，2020年整個寬禁帶半導(dǎo)體的投資規(guī)模達到709億，比上一年翻了一倍多?！澳壳皣鴥?nèi)很多襯底布局多集中在二三線城市，但整個產(chǎn)業(yè)的人才有限、通線達產(chǎn)率不高，可能存在一定未來產(chǎn)能過剩的風(fēng)險。因此我認(rèn)為需要政府進行一定干預(yù)，這也需要整個產(chǎn)業(yè)界上下游共同協(xié)同推動良性發(fā)展?！?/p>

作為高價值鏈的產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，對襯底部分的投入進程備受關(guān)注，而當(dāng)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(nèi)還沒有那么快。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(dǎo)入大規(guī)模量產(chǎn)。這是因為市場還沒出現(xiàn)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不同。硅基有晶圓尺寸越大、成本越低的規(guī)律，但碳化硅產(chǎn)品由于是寬禁帶半導(dǎo)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)濟上合理還處在見仁見智的階段，是否全面轉(zhuǎn)向以8英寸晶圓為主體還沒有確定性的答案。國內(nèi)新建的碳化硅晶圓產(chǎn)線均以6英寸為主，目前來說其綜合性價比是最高的。

龔瑞驕也認(rèn)為，預(yù)計在5-8年內(nèi)，8英寸碳化硅晶圓不會帶來壓倒性優(yōu)勢。因為其前期階段良率低、價格非常高；同時晶圓廠也需要升級，從6英寸到8英寸的過程復(fù)雜，需要相對漫長的時間。

“目前襯底、外延供應(yīng)都沒問題，6英寸技術(shù)轉(zhuǎn)型也沒有任何問題。真正的現(xiàn)狀是需求量還不夠大，因此產(chǎn)能還沒完全釋放?！鄙虿ㄖ赋?。

據(jù)預(yù)測，2025到2030年，4英寸碳化硅襯底產(chǎn)品會退出市場，6英寸襯底需求約20萬片，碳化硅整體晶片市場到2030年將達到150億美元。

商用進程循序漸進

真正引發(fā)市場對第三代半導(dǎo)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明顯的技術(shù)代際差距之外，也有來自新能源汽車廠商的積極擁抱。這以特斯拉在Model 3車型采用碳化硅模塊為典型代表。

但業(yè)內(nèi)普遍的觀點指出，即便在電動汽車應(yīng)用中，第三代半導(dǎo)體也并不會存在徹底替代第一代半導(dǎo)體的進展。

碳化硅器件在應(yīng)用過程中面臨的最大掣肘就是成本。“好，但是碳化硅模塊偏貴。”沈波向記者指出，除此之外，還面臨著供貨限制，因為國內(nèi)還沒有公司的碳化硅器件可以做到車規(guī)級，并且工藝也需要繼續(xù)迭代，應(yīng)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。目前在車規(guī)級認(rèn)證方面，多是如意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆等國際知名大企業(yè)，迄今供應(yīng)量有限，但整車廠會需要穩(wěn)定的大量貨源。

同時，目前階段來說，功率半導(dǎo)體市場上MOSFET、IGBT等硅基產(chǎn)品依然在大量使用，處于主導(dǎo)地位。意味著第三代半導(dǎo)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價比和應(yīng)用效果，才能更好實現(xiàn)替代。比如在激光雷達、5G移動通訊領(lǐng)域，硅基無法滿足其應(yīng)用需求，那么第三代半導(dǎo)體進行填補的速度會更快。但總體來說，替代趨勢將是一個逐步而緩慢的過程，在部分硅基器件性能不能滿足要求的細(xì)分市場和新應(yīng)用領(lǐng)域，替代會比較快。

“目前造車新勢力都在積極與碳化硅廠商合作，但真正商用落地也還需要時間。”沈波進一步分析，因為碳化硅器件的應(yīng)用并不是簡單把硅基相關(guān)產(chǎn)品替換，而是需要對整車系統(tǒng)進行調(diào)整，甚至是重新設(shè)計，這意味著現(xiàn)階段已經(jīng)全面定型投產(chǎn)的新能源汽車無法使用，需要等到汽車制造商推出汽車新產(chǎn)品，應(yīng)用才能落地，另外，降低第三代半導(dǎo)體芯片成本也是關(guān)鍵要素之一。

不過龔瑞驕指出，的確單從碳化硅模組器件來說，成本提到了3倍左右，但是倘若綜合來看系統(tǒng)性成本，相關(guān)模組應(yīng)用在汽車中將減輕體積、提高效率、縮減電池成本等，因此綜合對整車系統(tǒng)會帶來成本下降。尤其隨著Wolfspeed也將推出8英寸碳化硅晶圓產(chǎn)品后，將對應(yīng)用價格帶來較大沖擊。

他判斷，目前第三代半導(dǎo)體材料在整個功率半導(dǎo)體應(yīng)用的份額不到5%，預(yù)計到2025年將達到17%-18%。

沈波認(rèn)為，總體上第三代半導(dǎo)體芯片與硅基芯片會是替代、部分替代或共存的關(guān)系。比如在射頻芯片方面會是替代關(guān)系，功率半導(dǎo)體則會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(rèn)為硅基芯片依然會是第一大市場，并不是所有場合都需要高性能的第三代半導(dǎo)體芯片?！?/p>

隨著新需求的不斷興起，他認(rèn)為，第三代半導(dǎo)體的市場份額會逐步提高?！肮β拾雽?dǎo)體是一個群雄并起、各自細(xì)分的市場，一般來說側(cè)重中高電壓、功率密度高的領(lǐng)域，碳化硅會更適合；側(cè)重工作頻率方面，氮化鎵會更有優(yōu)勢。”

類比較早應(yīng)用到第三代半導(dǎo)體的照明市場，沈波回顧道，“我們國家用了20年時間，實現(xiàn)把40%的傳統(tǒng)燈泡替換成LED燈，這個技術(shù)進步走在世界前列。這背后需要整個照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的不斷進步，整個產(chǎn)業(yè)一起配合。以此類比，在未來，射頻和功率半導(dǎo)體市場上，第三代半導(dǎo)體無疑會是主角之一?！?/p>

據(jù)TrendForce集邦咨詢綜合分析，碳化硅功率市場規(guī)模將從2020年的6.8億美元增長至2025年的33.9億美元，年復(fù)合增長率38%；全球氮化鎵功率市場規(guī)模預(yù)計將從2020年的4800萬美元增長到2025年的13.2億美元，年復(fù)合增長率將達94%。