巨头抢滩第三代半导体

　　图：图虫

　　来源：21tech

　　作者：骆轶琪

　　编辑：张伟贤

　　延续了一年的第三代半导体发展热潮并未止息，多家功率半导体国际巨头竞相在公布2022财报前后宣布了新建工厂计划。

　　如Infineon（英飞凌）、STMicroelectronics（意法半导体）都表示将在全球不同国家建设碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）相关工厂。虽然在目前阶段来看，碳化硅的应用和技术发展相对成熟，但氮化镓的未来前景也不容忽视，而在这其中，偏前端的衬底（略类似于硅基的晶圆）环节又是占据较大价值量的部分，由此可见巨头们对于未来的发展之争已经拉开架势。

　　再往前看，动作幅度更大的是Cree（科锐）。2021年10月，科锐经过四年的彻底转型，剥离掉原先占比2/3的业务，以更名Wolfspeed作为节点，重新定位将发力碳化硅技术和制造。在此之前的六年时间内，Wolfspeed都只是作为科锐碳化硅材料和半导体器件事业部的一个品牌。

　　当然，第三代半导体面向未来的发展落地不可能一蹴而就。虽然国际巨头们在不断加大投资抢占先机，但从纵深来说，目前成熟度已经很高的硅基（第一代半导体，与第三代半导体不是代际替代关系）具备更普适的应用优势，这奠定了硅基在晶圆/衬底材料市场9成以上的历史份额，这在未来也不会轻易有显著改变。

　　巨头接连新建产线

　　2月的新一个财报季，功率半导体大厂不约而同提到了新一年加大对第三代半导体的投资力度，以及对未来形势的看好。

　　意法半导体发布的2022财年财报指出，将投入约9亿美元用于战略投资，其中包括对新晶圆厂的工业化产线投资，也包括对氮化镓技术和碳化硅原材料的投入。

　　在此之前的业绩说明会上，该公司高管表示，预计在2024年将实现10亿美元的碳化硅营收目标，比原计划提前一年，主要动力会来自于电动汽车相关产品的增长，工业端等领域的营收也会有所增加，但会相对分散，将体现在充电站上。

　　英飞凌发布的2022财年财报则表示，将投入超过20亿欧元，在马来西亚新建第三代半导体模组厂。公司同时指出，希望通过加大在宽禁带半导体（主要包括碳化硅和氮化镓）领域的制造能力，强化其在功率半导体的领导地位。待前述模组厂建设完成，将有望带来每年在碳化硅和氮化镓市场20亿欧元的新增收入。

　　长期以来，英飞凌、意法半导体等功率半导体Top级厂商更多的产品是硅基器件，如硅基IGBT、硅基MOSFET等，随着5G、新能源汽车等一系列技术迭代和市场需求推动之下，第三代半导体凭借各自高频、高压等优势异军突起，成为备受关注的下一个技术方向。

　　我国的相关建设同样如火如荼，从创业公司发展、到地方政府的政策支持都在加速推动着相关技术研发和工厂落地。略有不同的可能是发展模式选择。前述国际大厂多采用的是IDM模式，也即从晶圆厂到器件模组都有一定比重的自主生产，国内则也有偏重发展某一个产业环节的公司类型。

　　北京大学长江特聘教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波向21世纪经济报道记者分析，目前，硅基半导体芯片产业的发展模式有IDM、有代工，产业分工比较细。至于第三代半导体芯片产业的发展模式到底是走哪一条路，目前还很难下结论，应该说各有各的优势。

　　“在企业发展初创期，肯定是采用代工模式投资门槛低。但这个模式的前提是，为他们代工的企业，技术要稳定成熟。”他续称，从目前第三代半导体的代工企业来看，其数据库和芯片技术还不如硅基市场成熟，仅有的少数几个代工厂还有技术问题亟待解决，所以即便有代工厂，但不同厂商之间的水准可能存在较大差距。

　　因此从这个角度看，初创企业虽然采用代工模式可以减少投资额，但是也面临诸多限制条件。所以事实上，目前国内的第三代半导体企业，多以采用IDM模式占主导。但是假如等第三代半导体发展到硅基目前的成熟度来说，究竟是采用IDM还是代工，还很难下结论。“有可能代工模式更先进、专业分工带来更高效率。”沈波指出。

　　集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄则向记者分析，两种材料具体来看会有所不同。目前碳化硅产业在加速垂直整合，如英飞凌、罗姆等厂商都在向上游延伸，涉及到材料领域，特别是对碳化硅衬底的争夺。“我认为主要是基于两点原因：碳化硅衬底的高产品附加值；其衬底的技术制程非常复杂、晶体生长非常缓慢，成为碳化硅晶圆产能的关键制约点。未来我们认为取得一个碳化硅衬底的资源也会成为进入下一代电动车功率器件的入场门票。”

　　而氮化镓产业还是IDM和垂直分工并存。“IDM中，除了英诺赛科等极少数初创企业，都是以传统功率半导体大厂为主，会更多考量产品成本等因素；而Fabless（芯片设计类公司）则基本都是初创企业，目前已成为行业发展的关键推动力。”

　　“从整体供应链环节分析，核心环节还是在衬底，外延部分正在被衬底以及下游厂商加速渗透，器件环节也有一定壁垒。”龚瑞骄表示，其中衬底部分的价值占比几乎达到晶圆中的一半，这其中有很大竞争壁垒，“现在主流的衬底厂基本都是自己制造设备，然后结合自身对工艺的理解去做生产，因此也存在供应链壁垒，目前要稳定量产衬底并不容易。”

　　8英寸量产摇摆

　　回顾国内，从近期各地政府发布的科技相关发展规划中，包括广东、安徽等省份都不约而同提到了将第三代半导体材料、工艺、器件等列为研发重点，相关产业公司也在近些年间有相关工厂落地。

　　不过需要注意到当前各地积极建设产能的时点问题。沈波提示到，在国家发改委的窗口指导下，长远来看第三代半导体功率电子产业建设不会像太阳能电池和LED产业那样出现产能过剩问题；但中短期来看，倘若目前各地计划的产线全部量产，没有控制，则可能会面临阶段性产能过剩。

　　龚瑞骄也向记者指出，国内对于第三代半导体衬底材料正处在多点开花布局状态，据统计，2020年整个宽禁带半导体的投资规模达到709亿，比上一年翻了一倍多。“目前国内很多衬底布局多集中在二三线城市，但整个产业的人才有限、通线达产率不高，可能存在一定未来产能过剩的风险。因此我认为需要政府进行一定干预，这也需要整个产业界上下游共同协同推动良性发展。”

　　作为高价值链的产业环节，对衬底部分的投入进程备受关注，而当下选择的投产尺寸就显得较为重要。

　　沈波指出，目前在碳化硅方面，我们国家从技术到装备，除个别地方外，已经基本掌握，只是技术水平和产业水平还有较大差距，比如在8英寸衬底的研发上国内还没有那么快。虽然国际龙头公司Wolfspeed早已做出相关产品，但并未导入大规模量产。这是因为市场还没出现对8英寸碳化硅衬底晶圆的巨大需求。

　　“碳化硅的成本与硅基的演进不同。硅基有晶圆尺寸越大、成本越低的规律，但碳化硅产品由于是宽禁带半导体，有易碎特性、加工成品率也不高，目前正是这种状况。那么到了8英寸晶圆的成品率就会更低。”他分析道，目前国际上对于投产8英寸碳化硅晶圆是否在经济上合理还处在见仁见智的阶段，是否全面转向以8英寸晶圆为主体还没有确定性的答案。国内新建的碳化硅晶圆产线均以6英寸为主，目前来说其综合性价比是最高的。

　　龚瑞骄也认为，预计在5-8年内，8英寸碳化硅晶圆不会带来压倒性优势。因为其前期阶段良率低、价格非常高；同时晶圆厂也需要升级，从6英寸到8英寸的过程复杂，需要相对漫长的时间。

　　“目前衬底、外延供应都没问题，6英寸技术转型也没有任何问题。真正的现状是需求量还不够大，因此产能还没完全释放。”沈波指出。

　　据预测，2025到2030年，4英寸碳化硅衬底产品会退出市场，6英寸衬底需求约20万片，碳化硅整体晶片市场到2030年将达到150亿美元。

　　商用进程循序渐进

　　真正引发市场对第三代半导体关注热潮的，除了我们国家在相关技术储备不存在与全球大厂明显的技术代际差距之外，也有来自新能源汽车厂商的积极拥抱。这以特斯拉在Model 3车型采用碳化硅模块为典型代表。

　　但业内普遍的观点指出，即便在电动汽车应用中，第三代半导体也并不会存在彻底替代第一代半导体的进展。

　　碳化硅器件在应用过程中面临的最大掣肘就是成本。“好，但是碳化硅模块偏贵。”沈波向记者指出，除此之外，还面临着供货限制，因为国内还没有公司的碳化硅器件可以做到车规级，并且工艺也需要继续迭代，应用在电子领域的高端碳化硅器件与海外还存在很大的技术差距。目前在车规级认证方面，多是如意法半导体、英飞凌、罗姆等国际知名大企业，迄今供应量有限，但整车厂会需要稳定的大量货源。

　　同时，目前阶段来说，功率半导体市场上MOSFET、IGBT等硅基产品依然在大量使用，处于主导地位。意味着第三代半导体功率器件是在与硅基产品直接竞争，只有前者能够做到硅基达不到的性价比和应用效果，才能更好实现替代。

　　比如在激光雷达、5G移动通讯领域，硅基无法满足其应用需求，那么第三代半导体进行填补的速度会更快。但总体来说，替代趋势将是一个逐步而缓慢的过程，在部分硅基器件性能不能满足要求的细分市场和新应用领域，替代会比较快。

　　“目前造车新势力都在积极与碳化硅厂商合作，但真正商用落地也还需要时间。”沈波进一步分析，因为碳化硅器件的应用并不是简单把硅基相关产品替换，而是需要对整车系统进行调整，甚至是重新设计，这意味着现阶段已经全面定型投产的新能源汽车无法使用，需要等到汽车制造商推出汽车新产品，应用才能落地，另外，降低第三代半导体芯片成本也是关键要素之一。

　　不过龚瑞骄指出，的确单从碳化硅模组器件来说，成本提到了3倍左右，但是倘若综合来看系统性成本，相关模组应用在汽车中将减轻体积、提高效率、缩减电池成本等，因此综合对整车系统会带来成本下降。尤其随着Wolfspeed也将推出8英寸碳化硅晶圆产品后，将对应用价格带来较大冲击。

　　他判断，目前第三代半导体材料在整个功率半导体应用的份额不到5%，预计到2025年将达到17%-18%。

　　沈波认为，总体上第三代半导体芯片与硅基芯片会是替代、部分替代或共存的关系。比如在射频芯片方面会是替代关系，功率半导体则会是部分替代和共存的关系。“硅基功率电子发展非常成熟、也很便宜，因此我认为硅基芯片依然会是第一大市场，并不是所有场合都需要高性能的第三代半导体芯片。”

　　随着新需求的不断兴起，他认为，第三代半导体的市场份额会逐步提高。“功率半导体是一个群雄并起、各自细分的市场，一般来说侧重中高电压、功率密度高的领域，碳化硅会更适合；侧重工作频率方面，氮化镓会更有优势。”

　　类比较早应用到第三代半导体的照明市场，沈波回顾道，“我们国家用了20年时间，实现把40%的传统灯泡替换成LED灯，这个技术进步走在世界前列。这背后需要整个照明技术和产业链的不断进步，整个产业一起配合。以此类比，在未来，射频和功率半导体市场上，第三代半导体无疑会是主角之一。”

　　据TrendForce集邦咨询综合分析，碳化硅功率市场规模将从2020年的6.8亿美元增长至2025年的33.9亿美元，年复合增长率38%；全球氮化镓功率市场规模预计将从2020年的4800万美元增长到2025年的13.2亿美元，年复合增长率将达94%。