远虑与近忧：第三代半导体快跑
作 者丨骆轶琪
编 辑丨林虹
图 源丨图虫
在新能源汽车和风光储行业高速发展背景下，第三代半导体以其耐高压、耐高温等特性而备受关注。
当前技术仍在持续向前发展，在成本下降和良率提升等方面都有巨大提升空间。此前特斯拉宣布将大幅减少碳化硅用量，本质上就是源于碳化硅器件成本高企、同时产量尚且供不应求。
在此背景下，相关产业链公司在积极开疆拓土。近期意法半导体宣布与三安光电在国内花费超200亿规模建厂，就有提前为承接我国市场应用做准备的意图，这对国内产业链也带来一定压力。
纵观第三代半导体产业，欧美日巨头占据垄断地位，但国内近些年间的快速发展，已经在技术上缩小了差距，并在积极推动车规和工规验证，不过该两项验证都需要较长时间。
应用需求的庞大促成目前国内众多企业参与，只是相关高端技术和先进工艺的门槛较高，意味着该行业后续不可避免会走向并购整合，实际上海外大厂近些年间已经开始在通过整合补全短板。整体来说，相比硅基市场，第三代半导体领域国内公司的快速奔跑取得了一定成果。
国际巨头暂领先
结合第三方调研机构的统计可见，在第三代半导体两大材料领域中，碳化硅器件由于特斯拉的率先应用，而取得了更为快速的应用进展，相关企业随之形成鲜明的市场份额差异。
集邦咨询分析师龚瑞骄分析指出，在碳化硅功率器件市场，意法半导体2021年和2022年分别以40.8%和36.5%的份额位居市场绝对领先位置，加上其余Top4企业英飞凌、Wolfspeed、安森美和罗姆，全球前五家碳化硅功率器件厂商占全球市场份额在2021年高居95%，2022年下滑到约90.4%，其中Wolfspeed和安森美的份额都有一定程度提高。
意法半导体得以占据领先份额，就与其接下了特斯拉的碳化硅功率器件应用需求密切相关。
从技术发展脉络角度，在2023集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会上，北京大学宽禁带半导体研究中心主任沈波表示，拆分产业链来看，衬底、外延、芯片三个环节是技术含量更为密集的部分，也是目前投资和创新重点。
碳化硅单晶近期发展迅速，目前6英寸衬底技术已经稳定导入产业；8英寸衬底正在探索商业化量产，其中尤以衬底绝对头部大厂Wolfspeed推进最为迅速，国内企业则是在有样品或小规模供货阶段。
只是当前8英寸衬底的**和良率仍有进一步突破空间，整体看，碳化硅衬底也是国内产业与海外差距最小的细分领域。沈波分析，国内市场在碳化硅单晶衬底领域已有30年研发积累，目前在**控制、衬底尺寸、面型控制、器件性能和稳定性等方面的研发和产业化水平与国际大厂仍存在一定差距。
他指出，从衬底市场看，预计到2025-2030年间，4英寸衬底将逐渐退出市场，2026年6英寸衬底需求约为200万片。碳化硅整体芯片市场到2030年规模将达150亿美元。
碳化硅器件方面，国际上从二极管、三极管到MOSFET等器件都在快速迭代。国内市场在600-1700V功率二极管方面已经规模化量产，但对于MOSFET功率器件的关键工艺技术和产业化水平仍与海外有差距，国内严格意义上还没有厂商的MOSFET功率器件实现车规级认证，不过在今年将有一定进展。碳化硅IGBT在国内距离产业化还相对较远。
氮化镓功率器件相比碳化硅器件来说，在同时对效率、频率、体积等综合方面有要求的场景中，将更有优势。沈波指出，国际上氮化镓基器件已成功规模应用于快充领域。但目前问题是寄生效应严重，**了氮化镓基器件的性能。
“国内氮化镓基功率器件角度看，材料和器件的整体研发水平基本与国际同步，但在部分特性指标上仍需努力，虽然已经应用于手机快充、通用电源等领域，但是产品可靠性与海外头部厂商的水平还存在一定差距。”他续称，综合来看，国内市场在第三代半导体领域的全产业链都具备研发能力，相对缺乏的是碳化硅IGBT器件产品，在高端碳化硅产业链方面仍需加油。
竞合终有一战
正在发展中的碳化硅和氮化镓从技术路线和应用场景都还在探路进程中，不少业内人士都认为，虽然目前看，两种材料具有不同的原始材料属性，但不排除随着未来技术升级迭代，氮化镓与碳化硅或许终有一战。
一位氮化镓从业者就指出，过去一年内与整车厂交流发现，虽然目前上车的第三代半导体器件以碳化硅材料为主，但如果有合适采用氮化镓材料能通过车规认证的功率器件模块、或其他合适的封装方式，整机厂和OEM厂商都愿意推进采用。
因此，国际大厂已在纷纷开启收并购动作。龚瑞骄对21世纪经济报道记者表示，近些年间，碳化硅市场发生的整合主要为海外大厂发起，主要以实现更为完整的产业链控制为目的，在有多余精力的情况下，还会向氮化镓方向进行收并购或业务探索。其目的是减少成本、优化品质。
比如此前主要能力在碳化硅功率器件市场的英飞凌，通过收购头部厂商GaN Systems得以快速拓展自身份额。据集邦咨询统计，氮化硅功率器件按照2022年度收入表现看，Power Integrations自2018年开始在高压氮化镓市场占据领先地位；排名第二的纳微半导体占据17%份额，2022年通过收购开始进军碳化硅市场。
国内厂商英诺赛科排名全球第三，已经取得了15%份额，在全球有产能最大的8英寸产线，同时覆盖高压和低压市场，并能够对外提供晶圆代工服务。
“在这种形势下，国内企业要赶超，需要从技术层面积极演进，并向国际企业学习，加速在产业链中验证，比如国内广阔的新能源汽车和工业类市场等，期待迅速从验证中发现问题并解决。”他续称。
当前国内无论碳化硅还是氮化镓，相关企业都有旺盛发展势头，要实现综合竞争力提升、应用成本下降，未来难免也会走上整合道路。
一名碳化硅资深从业者对21世纪经济报道记者分析，预计碳化硅外延环节厂商未来发展将遇到较大挑战，因为处在上游的衬底厂商有进入外延领域的想法，下游器件厂商也想延伸进入外延领域。“综合来看，碳化硅产业每个环节都存在一定过热表现，最后就看谁能跑出来。”
实际上此前特斯拉宣布大幅缩减碳化硅用量，也是在倒逼产业链更加努力，毕竟当前碳化硅功率器件的应用成本还在硅基器件的2-3倍**，这也意味着碳化硅仍有较大降价空间。
“我认为车用功率器件中，碳化硅或者其他化合物半导体，未来一定会取代硅基器件，这点不用怀疑。只是碳化硅和氮化镓仍在发展，不排除未来氮化镓在车用市场会与碳化硅存在一定竞争。”前述人士续称。
“目前碳化硅器件中的衬底和外延占总芯片成本大约在60%，还有很大降价空间。”该人士分析，预估当碳化硅功率器件的成本仅是硅基器件的1.5倍左右时，由于其能够为整车带来**性的优化表现，届时碳化硅功率器件将彻底取代硅基功率器件。当前大约每年能实现20%左右的成本下降空间，或是通过技术升级、或是通过产能扩充，因此产业整体还存在一定成本追赶的差距。
本期编辑 黎雨桐 实习生 谭雅涵
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