綠碳化硅 遠(yuǎn)慮與近憂(yōu)：第三代半導(dǎo)體快跑

21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者駱軼琪 深圳報(bào)道

在新能源汽車(chē)和風(fēng)光儲(chǔ)行業(yè)高速發(fā)展背景下，第三代半導(dǎo)體以其耐高壓、耐高溫等特性而備受關(guān)注。

當(dāng)前技術(shù)仍在持續(xù)向前發(fā)展，在成本下降和良率提升等方面都有巨大提升空間。此前特斯拉宣布將大幅減少碳化硅用量，本質(zhì)上就是源于碳化硅器件成本高企、同時(shí)產(chǎn)量尚且供不應(yīng)求。

在此背景下，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈公司在積極開(kāi)疆拓土。近期意法半導(dǎo)體宣布與三安光電在國(guó)內(nèi)花費(fèi)超200億規(guī)模建廠，就有提前為承接中國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用做準(zhǔn)備的意圖，這對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈也帶來(lái)一定壓力。

縱觀第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，歐美日巨頭占據(jù)壟斷地位，但國(guó)內(nèi)近些年間的快速發(fā)展，已經(jīng)在技術(shù)上縮小了差距，并在積極推動(dòng)車(chē)規(guī)和工規(guī)驗(yàn)證，不過(guò)該兩項(xiàng)驗(yàn)證都需要較長(zhǎng)時(shí)間。

應(yīng)用需求的龐大促成目前國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)參與，只是相關(guān)高端技術(shù)和先進(jìn)工藝的門(mén)檻較高，意味著該行業(yè)后續(xù)不可避免會(huì)走向并購(gòu)整合，實(shí)際上海外大廠近些年間已經(jīng)開(kāi)始在通過(guò)整合補(bǔ)全短板。整體來(lái)說(shuō)，相比硅基市場(chǎng)，第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域國(guó)內(nèi)公司的快速奔跑取得了一定成果。

國(guó)際巨頭暫領(lǐng)先

結(jié)合第三方調(diào)研機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)，在第三代半導(dǎo)體兩大材料領(lǐng)域中，碳化硅器件由于特斯拉的率先應(yīng)用，而取得了更為快速的應(yīng)用進(jìn)展，相關(guān)企業(yè)隨之形成鮮明的市場(chǎng)份額差異。

集邦咨詢(xún)分析師龔瑞驕分析指出，在碳化硅功率器件市場(chǎng)，意法半導(dǎo)體2021年和2022年分別以40.8%和36.5%的份額位居市場(chǎng)絕對(duì)領(lǐng)先位置，加上其余Top4企業(yè)英飛凌、Wolfspeed、安森美和羅姆，全球前五家碳化硅功率器件廠商占全球市場(chǎng)份額在2021年高居95%，2022年下滑到約90.4%，其中Wolfspeed和安森美的份額都有一定程度提高。

意法半導(dǎo)體得以占據(jù)領(lǐng)先份額，就與其接下了特斯拉的碳化硅功率器件應(yīng)用需求密切相關(guān)。

從技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)角度，在2023集邦咨詢(xún)第三代半導(dǎo)體前沿趨勢(shì)研討會(huì)上，北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波表示，拆分產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，襯底、外延、芯片三個(gè)環(huán)節(jié)是技術(shù)含量更為密集的部分，也是目前投資和創(chuàng)新重點(diǎn)。

碳化硅單晶近期發(fā)展迅速，目前6英寸襯底技術(shù)已經(jīng)穩(wěn)定導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)；8英寸襯底正在探索商業(yè)化量產(chǎn)，其中尤以襯底絕對(duì)頭部大廠Wolfspeed推進(jìn)最為迅速，國(guó)內(nèi)企業(yè)則是在有樣品或小規(guī)模供貨階段。

只是當(dāng)前8英寸襯底的價(jià)格和良率仍有進(jìn)一步突破空間，整體看，碳化硅襯底也是國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)與海外差距最小的細(xì)分領(lǐng)域。沈波分析，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在碳化硅單晶襯底領(lǐng)域已有30年研發(fā)積累，目前在缺陷控制、襯底尺寸、面型控制、器件性能和穩(wěn)定性等方面的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平與國(guó)際大廠仍存在一定差距。

他指出，從襯底市場(chǎng)看，預(yù)計(jì)到2025-2030年間，4英寸襯底將逐漸退出市場(chǎng)，2026年6英寸襯底需求約為200萬(wàn)片。碳化硅整體芯片市場(chǎng)到2030年規(guī)模將達(dá)150億美元。

碳化硅器件方面，國(guó)際上從二極管、三極管到MOSFET等器件都在快速迭代。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在600-1700V功率二極管方面已經(jīng)規(guī)?；慨a(chǎn)，但對(duì)于MOSFET功率器件的關(guān)鍵工藝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平仍與海外有差距，國(guó)內(nèi)嚴(yán)格意義上還沒(méi)有廠商的MOSFET功率器件實(shí)現(xiàn)車(chē)規(guī)級(jí)認(rèn)證，不過(guò)在今年將有一定進(jìn)展。碳化硅IGBT在國(guó)內(nèi)距離產(chǎn)業(yè)化還相對(duì)較遠(yuǎn)。

氮化鎵功率器件相比碳化硅器件來(lái)說(shuō)，在同時(shí)對(duì)效率、頻率、體積等綜合方面有要求的場(chǎng)景中，將更有優(yōu)勢(shì)。沈波指出，國(guó)際上氮化鎵基器件已成功規(guī)模應(yīng)用于快充領(lǐng)域。但目前問(wèn)題是寄生效應(yīng)嚴(yán)重，限制了氮化鎵基器件的性能。

“國(guó)內(nèi)氮化鎵基功率器件角度看，材料和器件的整體研發(fā)水平基本與國(guó)際同步，但在部分特性指標(biāo)上仍需努力，雖然已經(jīng)應(yīng)用于手機(jī)快充、通用電源等領(lǐng)域，但是產(chǎn)品可靠性與海外頭部廠商的水平還存在一定差距?！彼m(xù)稱(chēng)，綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的全產(chǎn)業(yè)鏈都具備研發(fā)能力，相對(duì)缺乏的是碳化硅IGBT器件產(chǎn)品綠碳化硅，在高端碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈方面仍需加油。

競(jìng)合終有一戰(zhàn)

正在發(fā)展中的碳化硅和氮化鎵從技術(shù)路線(xiàn)和應(yīng)用場(chǎng)景都還在探路進(jìn)程中，不少業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)為，雖然目前看，兩種材料具有不同的原始材料屬性，但不排除隨著未來(lái)技術(shù)升級(jí)迭代，氮化鎵與碳化硅或許終有一戰(zhàn)。

一位氮化鎵從業(yè)者就指出，過(guò)去一年內(nèi)與整車(chē)廠交流發(fā)現(xiàn)，雖然目前上車(chē)的第三代半導(dǎo)體器件以碳化硅材料為主，但如果有合適采用氮化鎵材料能通過(guò)車(chē)規(guī)認(rèn)證的功率器件模塊、或其他合適的封裝方式，整機(jī)廠和OEM廠商都愿意推進(jìn)采用。

因此，國(guó)際大廠已在紛紛開(kāi)啟收并購(gòu)動(dòng)作。龔瑞驕對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示，近些年間，碳化硅市場(chǎng)發(fā)生的整合主要為海外大廠發(fā)起，主要以實(shí)現(xiàn)更為完整的產(chǎn)業(yè)鏈控制為目的，在有多余精力的情況下，還會(huì)向氮化鎵方向進(jìn)行收并購(gòu)或業(yè)務(wù)探索。其目的是減少成本、優(yōu)化品質(zhì)。

比如此前主要能力在碳化硅功率器件市場(chǎng)的英飛凌，通過(guò)收購(gòu)頭部廠商GaN Systems得以快速拓展自身份額。據(jù)集邦咨詢(xún)統(tǒng)計(jì)綠碳化硅，氮化硅功率器件按照2022年度收入表現(xiàn)看，Power Integrations自2018年開(kāi)始在高壓氮化鎵市場(chǎng)占據(jù)領(lǐng)先地位；排名第二的納微半導(dǎo)體占據(jù)17%份額，2022年通過(guò)收購(gòu)開(kāi)始進(jìn)軍碳化硅市場(chǎng)。

國(guó)內(nèi)廠商英諾賽科排名全球第三，已經(jīng)取得了15%份額，在全球有產(chǎn)能最大的8英寸產(chǎn)線(xiàn)，同時(shí)覆蓋高壓和低壓市場(chǎng)，并能夠?qū)ν馓峁┚A代工服務(wù)。

“在這種形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)企業(yè)要趕超，需要從技術(shù)層面積極演進(jìn)，并向國(guó)際企業(yè)學(xué)習(xí)，加速在產(chǎn)業(yè)鏈中驗(yàn)證，比如國(guó)內(nèi)廣闊的新能源汽車(chē)和工業(yè)類(lèi)市場(chǎng)等，期待迅速?gòu)尿?yàn)證中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決。”他續(xù)稱(chēng)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)無(wú)論碳化硅還是氮化鎵，相關(guān)企業(yè)都有旺盛發(fā)展勢(shì)頭，要實(shí)現(xiàn)綜合競(jìng)爭(zhēng)力提升、應(yīng)用成本下降，未來(lái)難免也會(huì)走上整合道路。

一名碳化硅資深從業(yè)者對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者分析，預(yù)計(jì)碳化硅外延環(huán)節(jié)廠商未來(lái)發(fā)展將遇到較大挑戰(zhàn)，因?yàn)樘幵谏嫌蔚囊r底廠商有進(jìn)入外延領(lǐng)域的想法，下游器件廠商也想延伸進(jìn)入外延領(lǐng)域?！熬C合來(lái)看，碳化硅產(chǎn)業(yè)每個(gè)環(huán)節(jié)都存在一定過(guò)熱表現(xiàn)，最后就看誰(shuí)能跑出來(lái)?！?/p>

實(shí)際上此前特斯拉宣布大幅縮減碳化硅用量，也是在倒逼產(chǎn)業(yè)鏈更加努力，畢竟當(dāng)前碳化硅功率器件的應(yīng)用成本還在硅基器件的2-3倍價(jià)格，這也意味著碳化硅仍有較大降價(jià)空間。

“我認(rèn)為車(chē)用功率器件中，碳化硅或者其他化合物半導(dǎo)體，未來(lái)一定會(huì)取代硅基器件，這點(diǎn)不用懷疑。只是碳化硅和氮化鎵仍在發(fā)展，不排除未來(lái)氮化鎵在車(chē)用市場(chǎng)會(huì)與碳化硅存在一定競(jìng)爭(zhēng)。”前述人士續(xù)稱(chēng)。

“目前碳化硅器件中的襯底和外延占總芯片成本大約在60%，還有很大降價(jià)空間?！痹撊耸糠治?，預(yù)估當(dāng)碳化硅功率器件的成本僅是硅基器件的1.5倍左右時(shí)，由于其能夠?yàn)檎?chē)帶來(lái)系統(tǒng)性的優(yōu)化表現(xiàn)，屆時(shí)碳化硅功率器件將徹底取代硅基功率器件。當(dāng)前大約每年能實(shí)現(xiàn)20%左右的成本下降空間，或是通過(guò)技術(shù)升級(jí)、或是通過(guò)產(chǎn)能擴(kuò)充，因此產(chǎn)業(yè)整體還存在一定成本追趕的差距。

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