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(dòng)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(cái)報(bào)前后宣布了新建工廠計(jì)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(jià)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(dòng)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(diǎn)，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(shí)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(gè)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(jī)，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(huì)輕易有顯著改變。

巨頭接連新建產(chǎn)線

2月的新一個(gè)財(cái)報(bào)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(cái)年財(cái)報(bào)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(huì)上，該公司高管表示，預(yù)計(jì)在2024年將實(shí)現(xiàn)10億美元的碳化硅營收目標(biāo)，比原計(jì)劃提前一年，主要?jiǎng)恿?huì)來自于電動(dòng)汽車相關(guān)產(chǎn)品的增長，工業(yè)端等領(lǐng)域的營收也會(huì)有所增加，但會(huì)相對分散，將體現(xiàn)在充電站上。

英飛凌發(fā)布的2022財(cái)年財(cái)報(bào)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(shí)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(qiáng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)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(jì)報(bào)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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?！坝锌赡艽つＪ礁冗M(jìn)、專業(yè)分工帶來更高效率?！鄙虿ㄖ赋?。

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(huì)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(diǎn)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(diǎn)。未來我們認(rèn)為取得一個(gè)碳化硅襯底的資源也會(huì)成為進(jìn)入下一代電動(dòng)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(huì)更多考量產(chǎn)品成本等因素；而Fabless（芯片設(shè)計(jì)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(dòng)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?！饼徣痱湵硎荆渲幸r底部分的價(jià)值占比幾乎達(dá)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(diǎn)，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(shí)點(diǎn)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(huì)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(jì)劃的產(chǎn)線全部量產(chǎn)，沒有控制，則可能會(huì)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(diǎn)開花布局狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年整個(gè)寬禁帶半導(dǎo)體的投資規(guī)模達(dá)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(gè)產(chǎn)業(yè)的人才有限、通線達(dá)產(chǎn)率不高，可能存在一定未來產(chǎn)能過剩的風(fēng)險(xiǎn)。因此我認(rèn)為需要政府進(jìn)行一定干預(yù)，這也需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)界上下游共同協(xié)同推動(dòng)良性發(fā)展?！?/p>

作為高價(jià)值鏈的產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，對襯底部分的投入進(jìn)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(gè)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?yàn)槭袌鲞€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(jìn)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(huì)更低。”他分析道，目前國際上對于投產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓是否在經(jīng)濟(jì)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(jià)比是最高的。

龔瑞驕也認(rèn)為，預(yù)計(jì)在5-8年內(nèi)，8英寸碳化硅晶圓不會(huì)帶來壓倒性優(yōu)勢。因?yàn)槠淝捌陔A段良率低、價(jià)格非常高；同時(shí)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(shí)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。”沈波指出。

據(jù)預(yù)測，2025到2030年，4英寸碳化硅襯底產(chǎn)品會(huì)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(dá)到150億美元。

商用進(jìn)程循序漸進(jìn)

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(chǔ)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(diǎn)指出，即便在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，第三代半導(dǎo)體也并不會(huì)存在徹底替代第一代半導(dǎo)體的進(jìn)展。

碳化硅器件在應(yīng)用過程中面臨的最大掣肘就是成本?！昂茫翘蓟枘K偏貴?！鄙虿ㄏ蛴浾咧赋?，除此之外，還面臨著供貨限制，因?yàn)閲鴥?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(huì)需要穩(wěn)定的大量貨源。

同時(shí)，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(dá)不到的性價(jià)比和應(yīng)用效果，才能更好實(shí)現(xiàn)替代。比如在激光雷達(dá)、5G移動(dòng)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(jìn)行填補(bǔ)的速度會(huì)更快。但總體來說，替代趨勢將是一個(gè)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(huì)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(shí)間。”沈波進(jìn)一步分析，因?yàn)樘蓟杵骷膽?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(jìn)行調(diào)整，甚至是重新設(shè)計(jì)，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(huì)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(jià)格帶來較大沖擊。

他判斷，目前第三代半導(dǎo)體材料在整個(gè)功率半導(dǎo)體應(yīng)用的份額不到5%，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)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(huì)是替代、部分替代或共存的關(guān)系。比如在射頻芯片方面會(huì)是替代關(guān)系，功率半導(dǎo)體則會(huì)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(huì)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。”

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(huì)逐步提高?！肮β拾雽?dǎo)體是一個(gè)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(huì)更適合；側(cè)重工作頻率方面，氮化鎵會(huì)更有優(yōu)勢?！?/p>

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(shí)間，實(shí)現(xiàn)把40%的傳統(tǒng)燈泡替換成LED燈，這個(gè)技術(shù)進(jìn)步走在世界前列。這背后需要整個(gè)照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的不斷進(jìn)步，整個(gè)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(huì)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(jì)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(dá)94%。