第三代半導體概念分析？

1第三代半導體概念

第三代半導體材料是以 SiC(碳化硅)、 GaN(氮化鎵)為代表(還包括 ZnO 氧化鋅、GaO 氧化鎵等)的化合物半導體，屬于寬禁帶半導體材料。禁帶寬度是半導體的一個重要特征。固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱為導帶(能導電)，自由空穴存在的能帶稱為價帶(亦能導電)。被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。

而更寬的禁帶，意味著從不導通狀態(tài)激發(fā)到導通狀態(tài)需要的能量更大，因此采用寬禁帶半導體材料制造的器件能夠擁有更高的擊穿電場、更高的耐壓性能、更高的工作溫度極限等等。第三代半導體與 Si(硅)、GaAs(砷化鎵)等前兩代半導體相比，在耐高壓、耐高溫、高頻性能、高熱導性等指標上具備很大優(yōu)勢，因此 SiC、GaN 被廣泛用于功率器件、射頻器件等領域。

SiC 與 GaN 相比，擁有更高的熱導率，這使得在高功率應用中，SiC 占據(jù)統(tǒng)治地位;與此同時，GaN 相比 SiC擁有更高的電子遷移率，所以GaN具有高的開關速度，在高頻應用中占有優(yōu)勢。

2第三代半導體發(fā)展歷程

自上世紀80年代開始，以 SiC、GaN 為代表的第三代半導體材料的出現(xiàn)，催生了新型照明、顯示、光生物等等新的應用需求和產(chǎn)業(yè)。其中SiC是目前技術、器件研發(fā)最為成熟的寬禁帶半導體材料。

SiC的一個重要里程碑是1955年，飛利浦實驗室的 Lely發(fā)明 SiC 的升華生長法(或物理氣相傳輸法，即 PVT 法)，后來經(jīng)過改進后的PVT 法成為 SiC 單晶制備的主要方法。這也是SiC作為重要電子材料的起點。

隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高，使得 SiC 器件制備能夠在目前現(xiàn)有 6 英寸 SiC 基功率器件生長線上進行。而國際大廠紛紛布局的8英寸的 SiC襯底有望在2022年上半年，由 Wolfspeed 率先實現(xiàn)量產(chǎn)，這將進一步降低 SiC 材料和器件成本，推進 SiC 器件和模塊的普及。

為了幫助下文理解，這里解釋一下 SiC 襯底、晶圓、外延片的關系以及區(qū)別。SiC 襯底是由 SiC 單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導體器件，也可以經(jīng)過外延加工，即在襯底上生長一層新的單晶，形成外延片。新的單晶層可以是 SiC，也可以是其他材料(如GaN)。而晶圓可以指襯底、外延片、或是已加工完成芯片后但尚未切割的圓形薄片。

而 GaN 于1969 年首次實現(xiàn)了 GaN 單晶薄膜的制備，在20世紀90年代中期，中村修二研發(fā)了第一支高亮度的 GaN基藍光 LED。隨后的十多年時間里，GaN 分別在射頻領域比如高電子遷移率晶體管(HEMT)和單片微波集成電路(MMIC)，以及功率半導體領域起到了重要作用。2010年，國際整流器公司(IR，已被英飛凌收購)發(fā)布了全球第一個商用GaN功率器件，正式拉開GaN在功率器件領域商業(yè)化大幕。2014 年以后，600V GaN HEMT 已經(jīng)成為 GaN 器件主流。2014年，行業(yè)首次在 8 英寸 SiC 上生長 GaN 器件。

二SiC產(chǎn)業(yè)概念

1SiC市場規(guī)模：襯底、功率器件、射頻器件

得益于材料特性的優(yōu)勢，SiC 在功率器件領域無疑會逐漸取代傳統(tǒng)硅器件，成為市場主流。而這個進程隨著 SiC 量產(chǎn)和技術成熟帶來的成本下降，以及終端需求的升級而不斷加速。包括新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)往 800V 高壓平臺發(fā)展、480kW 充電樁、光伏逆變器向高壓發(fā)展等，技術升級的核心，預計 2021 年到 2030 年 SiC 市場年均復合增長率(CAGR)將高達50.6%，2030 年 SiC 市場規(guī)模將超 300 億美元。

在材料端， 2020 年全球 SiC 襯底市場價值為 2.08 億美元。對于市場未來的增長，Yole預計到 2024 年全球 SiC 襯底市場規(guī)模將達到11億美元，2027年將達到33億美元，以2018年市場規(guī)模1.21億美元計算，2018-2027年的復合增長率預計為44%。

在應用端，2020年全球 SiC 功率器件市場規(guī)模為6.29億美元，mordor intelligence 預計到2026年將達到 47.08 億美元，2021-2026 的年復合增長率為 42.41%。其中由于電動汽車的爆發(fā)，汽車行業(yè)將是 SiC 功率器件的主要增長應用，而亞太地區(qū)會是增長最快的市場。亞太地區(qū)受到包括中國大陸、中國臺灣、日本、韓國的驅(qū)動，這四個地區(qū)共占全球半導體分立器件市場的 65% 左右。在光伏逆變器上，SiC 滲透率也呈現(xiàn)高速增長，華為預計在2030年光伏逆變器的碳化硅滲透率將從目前的2%增長到70%以上，在充電基礎設施、電動汽車領域滲透率也超過的80%，通信電源、服務器電源將全面推廣應用。

另外，在射頻 GaN行業(yè)，采用 SiC 襯底，也就是 GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)技術發(fā)展得最早，市占率也最高，同時在射頻應用領域已經(jīng)成為LDMOS和砷化鎵的主要競爭對手。除了在軍用雷達領域的深度滲透，GaN-on-SiC 還一直是華為、諾基亞等通信基站廠商的5G大規(guī)模MIMO基礎設施的選擇。根據(jù) Yole 的統(tǒng)計，2020 年全球 GaN-on-SiC 射頻器件市場規(guī)模為8.86億美元，預計 2026 年將達到 22.2 億美元，2020-2026 年復合增長率為17%。

2SiC市場供需情況

盡管 SiC 無論在功率器件還是在射頻應用上市場需求都有巨大增長空間，但目前對于 SiC 的應用，還面臨著產(chǎn)能不足的問題，主要是 SiC 襯底產(chǎn)能跟不上需求的增長。據(jù)統(tǒng)計，2021年全球 SiC 晶圓全球產(chǎn)能約為 40-60 萬片，結合業(yè)內(nèi)良率平均約50%估算，2021 年 SiC 晶圓全球有效產(chǎn)能僅20-30萬片。

與此同時，SiC 需求方的增長在近年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。以特斯拉為例，2021 年特斯拉電動汽車全年產(chǎn)量約 93 萬輛，據(jù)測算，如果這些車輛搭載的功率器件全采用 SiC ，單車用量將達到 0.5 片6寸 SiC 晶圓，一年的6寸 SiC 晶圓需求就高達46.5萬片，以如今全球 SiC 襯底產(chǎn)能來看甚至無法滿足一家車企的需求。

與此同時，襯底又是整個 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈中技術門檻最高、成本占比最大的環(huán)節(jié)，占市場總成本的50%左右。華為在《數(shù)字能源2030》白皮書中提到，SiC 的瓶頸當前主要在于襯底成本高(是硅的 4-5 倍，預計未來 2025 年前年價格會逐漸降為硅持平)，受新能源汽車、工業(yè)電源等應用的推動，碳化硅價格下降，性能和可靠性進一步提高。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈爆發(fā)的拐點臨近，市場潛力將被充分挖掘。

但目前 SiC 產(chǎn)業(yè)仍處于產(chǎn)能鋪設初期，2020年開始海內(nèi)外大廠都紛紛加大投入到 SiC 產(chǎn)能建設中。國內(nèi)僅 2021 年第一季度新增的 SiC 項目投資金額就已經(jīng)超過 2020 年全年水平，是 2012-2019 年 SiC 領域合計總投資值的5倍以上。三安光電預測，2025年 SiC 晶圓需求在保守與樂觀情形下分別為219和437萬片，車用碳化硅需求占比60%，保守情況下碳化硅產(chǎn)能缺口將達到123萬片，樂觀情況下缺口將達到486萬片。

3SiC產(chǎn)業(yè)主要運作模式

經(jīng)過超過 60 年的發(fā)展，硅基半導體產(chǎn)業(yè)自臺積電創(chuàng)始人張忠謀開創(chuàng)晶圓代工模式后，目前已經(jīng)形成了高度垂直分工的產(chǎn)業(yè)運作模式。但與硅基半導體產(chǎn)業(yè)不同，SiC 產(chǎn)業(yè)目前來看，主要是以 IDM 模式為主。

SiC 產(chǎn)業(yè)目前以IDM模式為主的主要原因：

1) 設備相比硅晶圓制造較為便宜，產(chǎn)線資本投入門檻相對較低;

2) 受益于成熟的半導體工藝，SiC 器件設計相對不復雜;

3) 掌握上下游整合能力可以加速產(chǎn)品迭代周期，有效控制成本以及產(chǎn)品良率。

當前 SiC 市場中，全球幾大主要龍頭 Wolfspeed、羅姆、ST、英飛凌、安森美等都已經(jīng)形成了 SiC 襯底、外延、設計、制造、封測的垂直供應體系。其中，除了 Wolfspeed 之外，其他廠商基本通過并購等方式來布局 SiC 襯底等原材料，以更好地把控上游供應。

同時，這種趨勢也導致目前 SiC 產(chǎn)業(yè)中不僅僅是下游往上游布局，而上游廠商也同時在下游發(fā)展。SiC 產(chǎn)業(yè)可以說是“得襯底者得天下”，SiC 襯底廠商掌握著業(yè)內(nèi)最重要的資源，這也為他們帶來了極大的行業(yè)話語權。

國內(nèi)方面，由于產(chǎn)業(yè)布局相比海外大廠要晚，而 IDM 模式是加速發(fā)展的最有效方式之一，包括三安光電、泰科天潤、基本半導體等 SiC 領域公司都在往 IDM 模式發(fā)展。三安光電投資160億元的湖南三安半導體基地在去年6月正式投產(chǎn)，這也是國內(nèi)第一條、全球第三條 SiC 垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈，提供從襯底、外延、晶圓代工、裸芯粒直至分立器件的靈活多元合作方式，有利于形成當?shù)貙捊麕О雽w產(chǎn)業(yè)聚落，加速上游 IC 設計公司設計與驗證迭代，縮短下游終端產(chǎn)品上市周期。