近日，功率半導體龍頭廠商英飛凌宣布，將投資超20億歐元在馬來西亞居林工廠建造第三個廠區(qū)，以大幅增加產能，新廠區(qū)主要涉及外延工藝和晶圓切割等關鍵工藝，將于6月開始施工，預計第一批晶圓將于2024年下半年下線。
英飛凌此前透露，其2022財年的投資將大幅提升至24億歐元。如今超八成資金被用在了第三代半導體投資上。未來，英飛凌還將持續(xù)為其第三代半導體業(yè)務注資，將把奧地利菲拉赫的6英寸、8英寸硅基半導體生產線改造為第三代半導體生產線，這意味著英飛凌正集中火力向第三代半導體產業(yè)的縱深處進發(fā)。
長期以來，硅始終是集成電路芯片制造最廣泛的原材料，然而在5G走向成熟落地、物聯(lián)網設備連接數持續(xù)增加、汽車產業(yè)智能化轉型加速的趨勢下，受材料本身特性的限制，硅基半導體逐漸無法滿足日益提高的市場需求。
在這種情況下，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料逐漸嶄露頭角，憑借其高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，展現巨大的市場前景，正成為全球半導體市場爭奪的焦點，國內外第三代半導體技術、產品、市場、投資均呈現較高增長態(tài)勢。
據TrendForce預測，2025年全球SiC功率器件市場規(guī)模將達到33.9億美元，GaN功率器件市場規(guī)模也將達8.5億美元。
2020-2025年全球SiC功率市場規(guī)模（單位：億美元）
圖源：TrendForce
行業(yè)廠商大幅擴產
之所以敢于不斷加碼第三代半導體，源自英飛凌對行業(yè)的高度看好。除了英飛凌之外，業(yè)界還有很多企業(yè)都在加大對第三代半導體的投資力度。
以SiC為例，安森美半導體表示今年要將SiC產能擴充4倍，2022財年第一季度，安森美預計資本支出約為1.5-1.7億美元，主要用于擴產12英寸硅產線產能。去年10月，安森美以約26.87億人民幣正式收購SiC襯底廠商GTAT。據安森美此前說法，2022年和2023年的SiC資本支出預計將占總收入的12%左右。
意法半導體2021年的資本支出達到約21億美元，其中14億美元將投入全球產能擴建，同時也在繼續(xù)投資供應鏈的垂直化整合，計劃到2024年將SiC晶圓產能提高到2017年的10倍，SiC營收將達到10億美元。
羅姆也立下了SiC的增長目標。2021年5月，羅姆提出要搶占全球30% SiC市場的目標。為了滿足日益擴大的SiC產品需求，羅姆相繼加大投資力度，在日本阿波羅筑后和宮崎新工廠將于2022年投入運營，計劃器件產能提高5倍以上。此外，羅姆還將把在馬來西亞的半導體工廠產能擴大到1.5倍，計劃到2023年8月建成。除了馬來西亞工廠新廠房開工建設和日本筑后工廠的SiC新廠房正式運轉之外，2022年羅姆還將繼續(xù)對前工程和后工程進行積極投資。
近日，韓國SK Siltron第三次對SiC業(yè)務進行擴產，預計到2024年將投資近10億元，負責后段工藝的生產，計劃于今年下半年開始量產。一旦該廠的擴建和良率穩(wěn)定下來，SK Siltron的SiC生產規(guī)模將較去年大幅擴大。這是SK Siltron第三個擴產動作，之前還在美國和韓國擴充SiC產能。SK Siltron近期表示將在未來5年內，在美國將投資約38.42億人民幣，以擴大美國SiC晶圓生產規(guī)模。
最近幾個月，還有TRinno、Scenic等多家韓國企業(yè)也在建線，涉及SiC襯底、外延和器件等環(huán)節(jié)。此外，行業(yè)公司包括鴻海、環(huán)球晶、漢磊科技等都在進行擴產、收并購、產業(yè)鏈上下游整合等一系列舉措。
從上述眾多的擴產和加大投資等事件來看，整個第三代半導體產業(yè)正在釋放出國際企業(yè)大力完善第三代半導體產業(yè)布局，強化競爭優(yōu)勢以搶奪日漸增長的市場份額的信號。
頭部SiC企業(yè)規(guī)劃在未來幾年投入巨資，擴充產能，進一步支持和推動客戶業(yè)務和市場發(fā)展。根據SEMI的預估，全球功率暨第三代半導體的投資額，將在2021年成長20％至70億美元，2022年將持續(xù)創(chuàng)新高至85億美元，2017-2022年復合成長率高達15％。
資本市場以及行業(yè)廠商大幅擴產的背后，也反映著第三代半導體市場需求正在被快速打開。
2018年，特斯拉在Model 3上采用了650V SiC MOSFET，逆變器效率提升了5%-8%，電動車的續(xù)航顯著提升，此舉讓SiC成為了全球車企的關注焦點。
如今，汽車領域的SiC應用正處于關鍵市場窗口期。
一方面車規(guī)SiC市場來的很快很猛很集中，隨著特斯拉和比亞迪等車企的示范效應，新能源旗艦車型也逐步由600V平臺向800V平臺切換，近幾年成為各家車廠的爆款車型應用SiC的市場窗口期；
另一方面，如果說五年內是硅抽身讓出來給SiC公司肆意狂奔的相對弱競爭市場，還是Si和SiC之間的競爭，那么五年后新進入者要面對的可能便是SiC和SiC的競爭。根據Yole的預測數據顯示，預計2025年汽車領域的SiC銷售額占比約達到61%。
另外，SiC在光伏、軌道交通等領域均有巨大應用前景。
光伏發(fā)電系統(tǒng)中，硅基逆變器成本占系統(tǒng)的10%，但卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源。使用SiCMOSFET功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環(huán)壽命提升50倍，從而縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。
軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件，其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用SiC器件的需求。SiC器件的應用可以提高裝置效率，提升系統(tǒng)整體效能。
目前，SiC器件并不像其他芯片那樣缺貨，但是上下游企業(yè)紛紛開始綁定產能，以應對未來的市場爆發(fā)。
SiC襯底方面，據意法半導體透露，目前其已經鎖定了Wolfspeed超過60%的SiC襯底供應，而GTAT又被安森美并購了，國際優(yōu)質SiC襯底供應更為緊張。SiC外延產能的爭奪也很激烈，以昭和電工為例，2021年5月-9月，英飛凌、羅姆和東芝三家企業(yè)都跟昭和電工綁定多年協(xié)議，去年12月日本電裝也搶了一部分產能。
國內市場，東莞天域跟露笑科技簽訂了15萬片SiC襯底的戰(zhàn)略合作。此外，還與II-VI公司達成了6英寸導電型SiC襯底戰(zhàn)略合作，行業(yè)人士認為這也是在鎖定襯底產能。
不過，國產SiC離“上車”還有一段距離。由于車規(guī)級SiC產品的缺陷控制要求非常高，目前國內SiC模塊產業(yè)鏈還不完備，現階段都是采用進口SiC技術，這類產品主要集中在英飛凌、羅姆和Wolfspeed等國際頭部廠商手中，國內產品占比相對較少。
國內廠商如何破局？
全球第三代半導體產業(yè)競爭市場顯現出美日歐三足鼎立格局。以SiC市場為例，美國在SiC 領域全球獨大，美國Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、Transphorm、道康寧等行業(yè)巨頭占據了全球70 %以上的市場份額；歐洲擁有英飛凌、意法半導體、IQE、Siltronic等代表公司，以構建從襯底到外延、器件以及應用的完整SiC全產業(yè)鏈；日本的羅姆半導體、三菱電機、富士電機、松下、瑞薩電子、住友電氣等則是在終端設備和功率模塊開發(fā)方面占據領先地位。
從布局趨勢來看，跨國企業(yè)紛紛加快布局速度，持續(xù)提升技術水平。SiC襯底和外延方面，部分器件企業(yè)選擇延伸切入該領域，以增強整體服務能力。技術進展方面，6英寸SiC襯底產品實現商用化，8英寸是未來發(fā)展方向，幾大主流廠商均推出8英寸襯底樣品，預計5年內8英寸將全面商用。SiC外延6英寸產品實現商用化，已經研制出8英寸產品，可滿足中低壓、高壓、超高壓功率器件制備要求。
反觀國內市場，國內第三代半導體產業(yè)起步較晚，但已形成一定基礎，目前正高速發(fā)展。據CASA Research不完全統(tǒng)計，截至2020年底，國內有超過170家從事第三代半導體電力電子和微波射頻的企業(yè)，而2018年尚不足100家，覆蓋了從上游材料的制備（襯底、外延）、中游器件設計、制造、封測到下游的應用，基本形成完整的產業(yè)鏈結構。
如SiC襯底制造商天科合達、山東天岳、露笑科技等；SiC外延片生產企業(yè)東莞天域、瀚天天成、英諾賽科、晶湛半導體、聚能晶源等；負責器件設計的企業(yè)有深圳基本半導體、瞻芯電子、蘇州鍇威特、陸芯科技等。而以IDM模式生產器件和模塊的企業(yè)有比亞迪半導體、泰科天潤、瑞能半導體、士蘭微、揚杰科技、匯川技術、中國中車等多家企業(yè)，以及與Wolfspeed、羅姆類似的全流程布局的有三安光電等。
國內企業(yè)在SiC襯底方面以4英寸為主，同時山東天岳、天科合達、河北同光、中科節(jié)能、露笑科技等廠商已完成6英寸襯底的研發(fā)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底，在SiC單晶襯底技術上形成自主技術體系。從市場現狀來看，在SiC這條賽道上，國內企業(yè)經過幾年深入耕耘，正在積極進入一些關鍵產品的供應鏈，但目前與國外還存在一定差距。
業(yè)內人士認為，除了LED發(fā)光和射頻，SiC的技術難點主要在于襯底缺陷的控制。當前低缺陷密度的襯底材料主要是歐美及日本廠商生產，國內想要突破還需要相當長的一段時間。同時SiC材料工藝控制難度高、產品批次性波動大導致良率偏低以及主要材料供應被壟斷，甚至推導到市場價格一直居高不下，目前只限定在部分應用市場。
另一邊，GaN領域，目前全球有超過30家企業(yè)從事GaN半導體的研發(fā)，其中實現商業(yè)化量產的企業(yè)僅有10家左右。GaN 器件產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)依次為：GaN襯底→GaN外延→器件設計→器件制造。目前產業(yè)以IDM企業(yè)為主，但是設計與制造環(huán)節(jié)已經開始出現分工，其中，住友電工在GaN襯底領域一家獨大，市場份額超過90%；外延片龍頭包括IQE、COMAT等；GaN制造環(huán)節(jié)代表性企業(yè)包括穩(wěn)懋、富士通和臺積電，大陸方面以三安光電為代表，有成熟的GaN制程代工服務。
GaN器件產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主要企業(yè)
從應用端來看，GaN功率元件主要應用于消費性產品，消費電子（60%）、新能源車（20%）、通訊及數據中心（15%）為前三大應用領域。其中消費電子成為GaN 最主要應用市場，2020年以來，受到小米、OPPO、華為等手機廠商的熱捧。GaN在消費電子領域迅速起量的同時，其應用范圍也在持續(xù)擴展，正向新基建所涉及的5G、數據中心、新能源汽車等領域滲透。
中國的GaN發(fā)展雖然起步晚，但在政策不斷支持下 GaN 相關產業(yè)也在迅速地發(fā)展。目前可以小批量生產2英寸襯底，具備4英寸襯底生產的能力，開發(fā)出了6英寸樣品，并在建多個與第三代半導體相關的研發(fā)中試平臺。
總體上看，國際龍頭企業(yè)正在大力完善產業(yè)布局，強化競爭優(yōu)勢，沿產業(yè)鏈上下游延伸趨勢日益明顯，全產業(yè)鏈布局進一步提升了其競爭優(yōu)勢。在這種形勢下，國內企業(yè)如何破局是需要思考和面對的問題。
中國第三代半導體興起的時間較短，回顧國內產業(yè)發(fā)展歷程，2013年，科技部863計劃首次將第三代半導體產業(yè)列為國戰(zhàn)戰(zhàn)略發(fā)展產業(yè)。2016年為第三代半導體發(fā)展元年，國務院國家新產業(yè)發(fā)展小組將第三半導體產業(yè)列為發(fā)展重點，國內企業(yè)擴大第三半導體研發(fā)項目投資，行業(yè)進入快速發(fā)展期。
2018年，中車時代電氣國內第一條6 英寸SiC生產線和泰科天潤國內第一條SiC器件生產線相繼建成；2019年9月，三安集成建成國內第一條6英寸GaN、砷化鎵(GaAs)外延芯片產線并投入量產；在2020年7月，華潤微宣布國內首條6英寸商用SiC晶圓生產線正式量產；同年9月，第三代半導體寫入“十四五”規(guī)劃，行業(yè)被推向風口。
當前，在全球第三代半導體競爭趨于白熱化的情況下，為了滿足市場需求，搶灘市場份額，國內半導體公司紛紛加大資本投入，積極布局SiC、GaN為主的第三代半導體相關產業(yè)。
近一年來，國產半導體企業(yè)不斷跑馬圈地、投資擴產，持續(xù)完善第三代半導體產業(yè)鏈。
去年4月，賽微電子宣布投資10億元建設6至8英寸硅基GaN功率器件半導體制造工廠，二期建成投產后月產能將達到1.2萬片晶圓；
隨后，三安光電也宣布其湖南半導體基地一期開始投產，全面建成達產后6英寸SiC晶圓月產能可達3萬片，將成為國內首條SiC垂直整合產業(yè)鏈；
11月，露笑科技發(fā)布《2021年度非公開發(fā)行A股股票預案》，擬募資29.4億元用于投資生產6英寸SiC襯底和建設大尺寸SiC襯底研發(fā)中心，建成后將形成年產24萬片6英寸導電型SiC襯底片的生產能力，而研發(fā)中心項目投資額為5億元，重點推進8英寸SiC襯底片的技術研發(fā)工作；
2021年底，中科鋼研集團高純SiC粉項目于山東菏澤開工，投資額超過10億元；
今年初，國家第三代半導體技術創(chuàng)新中心研發(fā)與產業(yè)化基地也正式開工建設，總統(tǒng)投資超18億元。據悉，該項目建成后將加速推動產業(yè)鏈集聚發(fā)展，支撐關鍵技術攻堅和成果轉化；
安世半導體也通過收購英國晶圓廠Newport Wafer Fab提升了在第三代半導體產品領域的IDM能力，2022年安世半導體的SiC、GaN等產品都將逐步量產。
除了上述企業(yè)的投資擴產計劃，還有以晶盛機電、斯達半導體為代表的企業(yè)，通過定增募資的方式擴大SiC業(yè)務布局。華潤微、納微科技、中國電科46所等多家企業(yè)也陸續(xù)傳出新技術研發(fā)、新產品投放市場的消息。
拋開如火如荼的擴產投資，第三代半導體產業(yè)格局逐漸迎來空前重構和變化，產業(yè)鏈布局正在加速。面對差距以及行業(yè)巨頭的大舉進攻，本土芯片供應商應該以技術創(chuàng)新為驅動，更加注重推動第三代半導體功率器件的研發(fā)和應用，同時聚焦下游市場，通過綁定家電龍頭，聯(lián)手新能源汽車企業(yè)，加速科研成果轉化和技術應用落地。
寫在最后
無論是從技術還是到應用，第三代半導體產業(yè)仍處于“起跑階段”，創(chuàng)造的產值相較于第一代半導體仍難以比擬。
然而，當科技的演進帶動時代的基調，朝著高效能、綠能零碳的大方向走，未來我們除了需要持續(xù)仰仗硅芯片的運算力之外，也需要GaN及SiC等第三代半導體材料在能源與通訊兩大領域做出突破性進展。
有觀點認為，第三代半導體是支撐下一代移動通信、新能源汽車、能源互聯(lián)網、國防軍工等產業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展的重要技術，也是我們產業(yè)轉型升級和關鍵材料、關鍵領域進步的核心器件，是中國最有機會突破技術封鎖，形成戰(zhàn)略優(yōu)勢的領域之一。
近年來，受惠于國家的支持和國產半導體行業(yè)的不懈努力，國產第三代半導體正在以不可思議的速度高速成長。在第三代半導體方面，國內外差距沒有一、二代半導體明顯。
科技部原副部長曹健林曾在第三代半導體論壇上表示：“我們面臨著歷史性的機遇與挑戰(zhàn)，中國發(fā)展第三代半導體已經有一定的基礎和積累，一是產業(yè)鏈比較完整，具備技術突破和產業(yè)發(fā)展協(xié)同的基礎，二是國際半導體產業(yè)和裝備巨頭在第三代半導體領域還沒有形成專利、標準和規(guī)模的壟斷，國內企業(yè)還有機會趕上?！?/p>
只是如今，在國際大廠相繼大舉投資擴產，“All in”第三代半導體市場背后，不清楚國內產業(yè)的機會還有多大，時間窗口還有多少。
