圖：圖蟲

　　來源：21tech

　　作者：駱軼琪

　　編輯：張偉賢

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

　　如Infineon（英飛凌）、STMicroelectronics（意法半導體）都表示將在全球不同國家建設碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相關工廠。雖然在目前階段來看，碳化硅的應用和技術發展相對成熟，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）環節又是占據較大價值量的部分，由此可見巨頭們對于未來的發展之爭已經拉開架勢。

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

　　當然，第三代半導體面向未來的發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，目前成熟度已經很高的硅基（第一代半導體，與第三代半導體不是代際替代關系）具備更普適的應用優勢，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。

　　巨頭接連新建產線

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

　　意法半導體發布的2022財年財報指出，將投入約9億美元用于戰略投資，其中包括對新晶圓廠的工業化產線投資，也包括對氮化鎵技術和碳化硅原材料的投入。

　　在此之前的業績說明會上，該公司高管表示，預計在2024年將實現10億美元的碳化硅營收目標，比原計劃提前一年，主要動力會來自于電動汽車相關產品的增長，工業端等領域的營收也會有所增加，但會相對分散，將體現在充電站上。

　　英飛凌發布的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體模組廠。公司同時指出，希望通過加大在寬禁帶半導體（主要包括碳化硅和氮化鎵）領域的制造能力，強化其在功率半導體的領導地位。待前述模組廠建設完成，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、意法半導體等功率半導體Top級廠商更多的產品是硅基器件，如硅基IGBT、硅基MOSFET等，隨著5G、新能源汽車等一系列技術迭代和市場需求推動之下，第三代半導體憑借各自高頻、高壓等優勢異軍突起，成為備受關注的下一個技術方向。

　　我國的相關建設同樣如火如荼，從創業公司發展、到地方政府的政策支持都在加速推動著相關技術研發和工廠落地。略有不同的可能是發展模式選擇。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，國內則也有偏重發展某一個產業環節的公司類型。

　　北京大學長江特聘教授、寬禁帶半導體研究中心主任沈波向21世紀經濟報道記者分析，目前，硅基半導體芯片產業的發展模式有IDM、有代工，產業分工比較細。至于第三代半導體芯片產業的發展模式到底是走哪一條路，目前還很難下結論，應該說各有各的優勢。

　　“在企業發展初創期，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，技術要穩定成熟。”他續稱，從目前第三代半導體的代工企業來看，其數據庫和芯片技術還不如硅基市場成熟，僅有的少數幾個代工廠還有技術問題亟待解決，所以即便有代工廠，但不同廠商之間的水準可能存在較大差距。

　　因此從這個角度看，初創企業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，目前國內的第三代半導體企業，多以采用IDM模式占主導。但是假如等第三代半導體發展到硅基目前的成熟度來說，究竟是采用IDM還是代工，還很難下結論。“有可能代工模式更先進、專業分工帶來更高效率。”沈波指出。

　　集邦咨詢化合物半導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。目前碳化硅產業在加速垂直整合，如英飛凌、羅姆等廠商都在向上游延伸，涉及到材料領域，特別是對碳化硅襯底的爭奪。“我認為主要是基于兩點原因：碳化硅襯底的高產品附加值；其襯底的技術制程非常復雜、晶體生長非常緩慢，成為碳化硅晶圓產能的關鍵制約點。未來我們認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。”

　　而氮化鎵產業還是IDM和垂直分工并存。“IDM中，除了英諾賽科等極少數初創企業，都是以傳統功率半導體大廠為主，會更多考量產品成本等因素；而Fabless（芯片設計類公司）則基本都是初創企業，目前已成為行業發展的關鍵推動力。”

　　“從整體供應鏈環節分析，核心環節還是在襯底，外延部分正在被襯底以及下游廠商加速滲透，器件環節也有一定壁壘。”龔瑞驕表示，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，“現在主流的襯底廠基本都是自己制造設備，然后結合自身對工藝的理解去做生產，因此也存在供應鏈壁壘，目前要穩定量產襯底并不容易。”

　　8英寸量產搖擺

　　回顧國內，從近期各地政府發布的科技相關發展規劃中，包括廣東、安徽等省份都不約而同提到了將第三代半導體材料、工藝、器件等列為研發重點，相關產業公司也在近些年間有相關工廠落地。

　　不過需要注意到當前各地積極建設產能的時點問題。沈波提示到，在國家發改委的窗口指導下，長遠來看第三代半導體功率電子產業建設不會像太陽能電池和LED產業那樣出現產能過剩問題；但中短期來看，倘若目前各地計劃的產線全部量產，沒有控制，則可能會面臨階段性產能過剩。

　　龔瑞驕也向記者指出，國內對于第三代半導體襯底材料正處在多點開花布局狀態，據統計，2020年整個寬禁帶半導體的投資規模達到709億，比上一年翻了一倍多。“目前國內很多襯底布局多集中在二三線城市，但整個產業的人才有限、通線達產率不高，可能存在一定未來產能過剩的風險。因此我認為需要政府進行一定干預，這也需要整個產業界上下游共同協同推動良性發展。”

　　作為高價值鏈的產業環節，對襯底部分的投入進程備受關注，而當下選擇的投產尺寸就顯得較為重要。

　　沈波指出，目前在碳化硅方面，我們國家從技術到裝備，除個別地方外，已經基本掌握，只是技術水平和產業水平還有較大差距，比如在8英寸襯底的研發上國內還沒有那么快。雖然國際龍頭公司Wolfspeed早已做出相關產品，但并未導入大規模量產。這是因為市場還沒出現對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、成本越低的規律，但碳化硅產品由于是寬禁帶半導體，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。”他分析道，目前國際上對于投產8英寸碳化硅晶圓是否在經濟上合理還處在見仁見智的階段，是否全面轉向以8英寸晶圓為主體還沒有確定性的答案。國內新建的碳化硅晶圓產線均以6英寸為主，目前來說其綜合性價比是最高的。

　　龔瑞驕也認為，預計在5-8年內，8英寸碳化硅晶圓不會帶來壓倒性優勢。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英寸的過程復雜，需要相對漫長的時間。

　　“目前襯底、外延供應都沒問題，6英寸技術轉型也沒有任何問題。真正的現狀是需求量還不夠大，因此產能還沒完全釋放。”沈波指出。

　　據預測，2025到2030年，4英寸碳化硅襯底產品會退出市場，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

　　真正引發市場對第三代半導體關注熱潮的，除了我們國家在相關技術儲備不存在與全球大廠明顯的技術代際差距之外，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。

　　但業內普遍的觀點指出，即便在電動汽車應用中，第三代半導體也并不會存在徹底替代第一代半導體的進展。

　　碳化硅器件在應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，因為國內還沒有公司的碳化硅器件可以做到車規級，并且工藝也需要繼續迭代，應用在電子領域的高端碳化硅器件與海外還存在很大的技術差距。目前在車規級認證方面，多是如意法半導體、英飛凌、羅姆等國際知名大企業，迄今供應量有限，但整車廠會需要穩定的大量貨源。

　　同時，目前階段來說，功率半導體市場上MOSFET、IGBT等硅基產品依然在大量使用，處于主導地位。意味著第三代半導體功率器件是在與硅基產品直接競爭，只有前者能夠做到硅基達不到的性價比和應用效果，才能更好實現替代。

　　比如在激光雷達、5G移動通訊領域，硅基無法滿足其應用需求，那么第三代半導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分市場和新應用領域，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用并不是簡單把硅基相關產品替換，而是需要對整車系統進行調整，甚至是重新設計，這意味著現階段已經全面定型投產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品，應用才能落地，另外，降低第三代半導體芯片成本也是關鍵要素之一。

　　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性成本，相關模組應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英寸碳化硅晶圓產品后，將對應用價格帶來較大沖擊。

　　他判斷，目前第三代半導體材料在整個功率半導體應用的份額不到5%，預計到2025年將達到17%-18%。

　　沈波認為，總體上第三代半導體芯片與硅基芯片會是替代、部分替代或共存的關系。比如在射頻芯片方面會是替代關系，功率半導體則會是部分替代和共存的關系。“硅基功率電子發展非常成熟、也很便宜，因此我認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體芯片。”

　　隨著新需求的不斷興起，他認為，第三代半導體的市場份額會逐步提高。“功率半導體是一個群雄并起、各自細分的市場，一般來說側重中高電壓、功率密度高的領域，碳化硅會更適合；側重工作頻率方面，氮化鎵會更有優勢。”

　　類比較早應用到第三代半導體的照明市場，沈波回顧道，“我們國家用了20年時間，實現把40%的傳統燈泡替換成LED燈，這個技術進步走在世界前列。這背后需要整個照明技術和產業鏈的不斷進步，整個產業一起配合。以此類比，在未來，射頻和功率半導體市場上，第三代半導體無疑會是主角之一。”

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