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资本蜂拥第三代半导体:新能源“拱火”,“直道超车”下机遇风险并存

“现在越来越多的企业在布局第三代半导体公司,购置相关设备都比较紧张。”近日,一家LED供应链人士向21世纪经济报道记者表示。

“现在越来越多的企业在布局第三代半导体公司,购置相关设备都比较紧张。”近日,一家LED供应链人士向21世纪经济报道记者表示。

尽管设备抢手和供应链短缺大环境有关,但是第三代半导体(也称宽禁带半导体)市场的火热可见一斑。在日前集邦咨询化合物半导体新应用前瞻分析会上,集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄表示:“据我们统计,去年整个宽禁带半导体(功率和射频部分)的投资规模达到了709亿,比上一年翻了一倍多。”

同时,第三代半导体应用需求也在增长,随着碳化硅(SiC)进入新能源汽车产业链、氮化镓(GaN)在快充上的规模化应用,第三代半导体逐步进入消费端和工业端,在功率半导体领域崭露头角。

值得一提的是,碳中和相关政策正持续对第三代半导体发展带来东风,由于碳化硅和氮化镓都有助于提升能效,企业的投入意愿也在增强。12月8日,国家发改委等四部门印发的新方案提出,到2025年,数据中心和5G基本形成绿色集约的一体化运行格局。根据天风证券的测算,若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为氮化镓功率芯片器件,将减少30%-40%的能源浪费。而氮化镓目前已经在5G基站中使用,并且不少企业正在布局数据中心的氮化镓电源产品。

眼下,第三代半导体正迎来黄金发展期,但同时也需要注意,产业仍处在初级阶段,整体规模较小,众多企业涌入,更要关注实际的市场需求。

国内探索“直道超车”? 未来5年进入整合期

从产业链看,第三代半导体主要有衬底、外延、设计、制造、封测、应用等环节,目前国外的半导体公司仍占据核心地位,而面对确定的市场前景,国内的企业也蜂拥而至。

其中,LED产业集群是一支重要力量,因为在照明、显示等光电器件中,原本就需要使用氮化镓等材料,所以三安光电、华灿光电等企业已经具备材料和工艺的基础、以及相关生产的经验,这是他们的优势。当然光电器件和功率IC之间的工艺差异明显,IC技术难度升级,产线拓展也存在着挑战。

对于氮化镓的布局,华灿光电副总裁王江波向21世纪经济报道记者表示:“2020年华灿光电募集约3亿元投向GaN电力电子器件领域。电子电力器件与公司深耕的光电领域应用市场有所不同,但材料体系相似,工艺制备方面有一定相通之处,电力电子器件产品工艺段更为复杂,线宽控制和设备的要求更高。目前6英寸硅基GaN 电力电子器件工艺已通线,预计2022年推出650V cascode产品,2023年具备批量生产和代工能力。”

在未来的产品规划上,王江波表示,华灿光电不仅仅针对快充领域,也会面向数据中心,电动汽车、通讯等领域布局。

对于华灿光电而言,切入第三代半导体一方面是产业的横向拓展,另一方面也符合公司探索高端化的路线;再看三安光电,版图更加完善,除了氮化镓产线,今年长沙的碳化硅全产业链生产线一期投产。

LED之外,拥有功率半导体经验的企业们也在加速布局,比如闻泰科技,在氮化镓功率器件领域频频落子并出货,旗下安世半导体也和汽车企业进行合作。国内功率半导体龙头华润微积极布局第三代半导体,已有碳化硅产品量产,也研发了氮化镓器件。制造领域,以北方华创、中微为代表的设备厂商也迎来第三代半导体的增量市场。

同时,诸多专注于做第三代半导体的国内公司也在成长中,比如氮化镓功率芯片领域迅速增长的英诺赛科;碳化硅领域的基本半导体、天科合达、天岳先进、同光晶体等等,并且聚焦在衬底环节的企业尤其多。

和国外相比,国内企业仍存在差距,龚瑞骄告诉记者:“第一个是碳化硅的衬底,海外目前是6英寸转8英寸,国内现在是4英寸转6英寸,有很大差距;另一个海外商用碳化硅使用了MOS管,而国内还在使用二极管。”

有业内人士指出,碳化硅在中国100多个项目,几乎没有做车规级的,因为行业门槛很高,车规级和工业级、消费级相比,做可靠性实验的时间完全不一样,不是一个数量级,其表示:“消费级只需要几十小时,工业级要几百小时,而车规级要几千小时,因为坐上车,最重要的是安全,一个车厂要采用一个车规级的器件没有三五年是不行的。虽然国内的汽车厂也有跟一些企业合作,但是要长期合作,国内的车厂采用的车规级的进口的器件、芯片都存在供应紧张的问题。现在国内车厂的国产化有巨大的空间,我们首先要和国外的车规级芯片、器件首先做到同等水平,在此基础上再去发展新的创新。”

在近年的科技博弈中,国内对半导体产业关注空前,第三代半导体也被视为弯道超车的一个方向,对此,上述业内人士谈道:“其实在弯道的时候跑快了容易摔跤,正确的做法是在直线的时候超车。现在国内是遍地的游击队,要直线超车就要打造军团,海外也是这么一个过程,有了资本的支持,可以把这些游击队整合起来,去实现直线超车。所以未来5年,我预测是一个整合的过程。”

图片来源:拍信网正版图库

碳化硅整合 氮化镓起步

虽然相比硅市场,第三代半导体的市场份额还很小,现在主要聚焦在功率半导体等领域,但是增长空间巨大。

龚瑞骄谈道,受益于新能源革命,下游的光伏、储能、新能源汽车以及工业自动化的爆发,功率半导体行业迎来了新的高景气周期,“整个功率半导体、分立器件和模块的市场规模将从2020年的204亿美金增长到2025年的274亿美金,宽禁带半导体的市场规模将从2020年的不到5%达到2025年的接近17%。”

第三代半导体材料目前产业化主要集中在碳化硅和氮化镓两个方向,其中碳化硅应用已有十多年,产业化更加成熟。

“我们预测全球的SiC功率市场规模将从2020年的6.8亿美元增长到2025年的33.9亿美元,其中新能源汽车将成为最主要的驱动力,SiC将在主逆变器、OBC、DCDC中取得主要的应用,另外在车外的充电桩和光伏储能领域有很大的应用。在这两年光伏储能领域SiC会有加速的渗透,当然它和汽车市场还是远远不能比。”龚瑞骄分析道。

在全球碳化硅市场上,科锐、意法半导体、英飞凌、罗姆等一线厂商持续加码,并进入到产业链一体化竞争的过程中。龚瑞骄谈道:“英飞凌、罗姆等等厂商都在向上游延伸,涉及到材料领域,特别是对SiC衬底的争夺。主要是基于以下两点原因,第一是因为SiC衬底的高产品附加值,第二是因为SiC衬底的技术制程非常复杂,它的晶体生长非常缓慢,也成为SiC晶圆产能的关键制约点。未来我们认为取得一个SiC衬底的资源也会成为进入下一代电动车功率器件的入场门票。”

再看近年来兴起的氮化镓市场,基于快充市场而崛起,这个赛道上既有纳微半导体等新兴企业,也有PI等老牌公司。龚瑞骄表示:“GaN的市场还处于一个初期阶段,目前在消费市场快速起量,苹果今年推出了140瓦的GaN快充,我们也认为GaN确实需要从消费电子做一个过渡,反复验证它的可靠性,然后建立一个产能和生态的格局,方便以后推向工业级以及车规级。另外GaN整个市场规模将会从2020年的4800万美元增长到2025年的13.2亿美元。除了消费电子,我们认为它会有很大应用的产品是新能源汽车、电信以及数据中心。”

在他看来,随着集成度的提升,氮化镓还是IDM和垂直分工并存。IDM中,除了英诺赛科等极少数的初创企业,都是以传统大厂为主;在垂直分工领域基本上都是初创企业,也成为行业关键的推动力。

不难看出,近5年内,第三代半导体规模将迎来数倍的扩张,这也体现在设备需求的增长上。设备龙头AIXTRON(爱思强)副总经理方子文向21世纪经济报道记者表示:“不少客户在积极扩产,整体来看,市场上第三代半导体等材料明确增长,其中氮化钾、碳化硅,还有磷化铟三种材料增长最为明显。”

此外,方子文还谈道,由于受到全球产业链短缺的影响,目前相关设备的交付周期从6个月延长至8-9个月左右,但是设备厂商整体产能充足。

成本、良率、需求的多重挑战

碳化硅有了十多年的应用发展,相比氮化镓更为成熟,在和硅的竞争中,由于器件本身的特性,碳化硅替代的工艺更方便,相对而言氮化镓难度更大。但是就在近两三年,氮化镓在快充这一赛道得到了验证,650伏快充这一消费级市场起来后,产业迅速开始规模化,而不论良率提升还是成本下降都需要规模化来进行正循环。

由于硅工艺已经非常成熟,在单个芯片成本上具有优势,据了解,碳化硅或氮化镓的单个器件可以高达硅的4倍。“从汽车来说,单个的成本可能高到两倍左右,但是(碳化硅)降低了系统性成本,比如应用到汽车上可以减轻汽车相关组件的体积,提高效率,进而就可以缩小电池成本,所以从整车系统看,成本还是下降的。”龚瑞骄向记者举例道。

但是对于第三代半导体企业而言,依然面临成本的挑战,产业链的各个环节也在想方设法降本增效、提升良率,多位从业者向21世纪经济报道记者表示,随着量产推进,成本将会快速下降。

其中,设备商扮演着重要角色,“产业发展起来,最关键的就是要节省成本,(碳化硅领域)今天相比竞争对手,爱思强有10%到15%的成本优势,我们预计在2023年还可以继续下降25%左右的成本,”方子文谈道,“在氮化镓领域,我们的生产成本到2023年会持续下降20%到30%左右,我们的产能也会提升20%到30%左右。”

这又和自动化产线息息相关,众所周知硅芯片产线自动化程度已经非常高,产线上人力要素减少,可以全年无休运转,第三代半导体也将经历这一进化过程。方子文回顾道:“8年前就有客户表示,氮化镓材料非常好,但是没法用,因为当时产线还处在手工作坊的做法。所以他们对我们提出了设备自动化的要求,这样才能和现有的器件在工艺流程上进行竞争。于是我们很早期的时候就进行了氮化镓设备的研发,之后快充市场爆发,市场崛起。”

导入全自动化的生产模式后,第三代半导体能以更低的成本进入市场,在方子文看来,第三代半导体SiC和GaN是一个非常大的市场,在和硅直接做竞争,这需要产业链上下游的配合,从Performance、到放量、终端客户验证都需要很好的配合,才能让SiC、GaN最终走量,进入产业化的进程。

在不少业内人士看来,第三代半导体在技术层面并没有太大瓶颈,国内外的实验室能够进行技术攻关,但是最关键的在于量产,这就涉及到团队的生产经验、人才构成等因素。

生产之外,第三代半导体企业还面对着盈利、需求的考验,有产业链人士向记者表示:“功率器件生意很难做,有时甚至要倒贴。比如在不少商务合同中,如果出现产品赔偿的问题,功率器件企业还需要赔偿客户损失的利润,而非器件本身的成本,因此前端承受的风险较大,一些投资机构开始会优先选择封装环节企业来降低风险。”

因此,多位半导体资深人士也向记者谈道,对于新晋企业,一定要紧贴市场需求,不能只是投资驱动发展,更需要明确出海口,进行差异化的产业竞争。

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