第三代半导体扩产，硅的时代要结束了吗

芯片行业的砍单潮已经将寒气传递给了众多企业，三星半导体部门负责人Kyung Kye-hyun就预计芯片销售大幅下滑态势将延续至明年；野村证券最近也将今年全球芯片出货成长率由原先预估的9.9%大砍至5.7%、2023年由衰退0.5%扩大至衰退6%；费城半导体指数 (SOX)近6个月（截至9月21日）更是跌了26.53%。

但此时，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料却在迎来市场倍增与产能扩张。 

安森美二季度财报发布后，就将其2022年碳化硅营收预期上调为“同比增长3倍”，而此前目标只是增长1倍；预计到2023年，碳化硅业务收入将超过10亿美元。3倍只是开始，甚至10倍都不止：安森美还计划在2025年前将把公司的碳化硅前道工艺产能扩大到目前的10倍以上。

意法半导体二季度财报也预计，2022年意法半导体碳化硅业务将获得7亿美元收入，到2023年将达到10亿美元。意法半导体还是特斯拉碳化硅功率模块的主要供应商——受益于汽车、工业等领域对碳化硅的需求，意法半导体同样在筹划扩产。

Wolfspeed今年上半年也宣布将在北卡罗来纳州查塔姆县建造新的碳化硅工厂，2030年完工后将成为世界上*的碳化硅材料工厂，其碳化硅晶圆制造能力增加约13倍，而目前Wolfspeed生产的碳化硅已经占全球碳化硅的60%以上。新工厂总投资将达到50亿美元，为此Wolfspeed还将申请与《芯片和科学法案》相关的联邦政府拨款。

有趣的是，Wolfspeed本是全球LED照明巨头科锐（Cree）旗下专注碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料的部门。Cree原计划将Wolfspeed卖给德国企业英飞凌，但由于美国国防部以国家安全为理由反对，最终Cree剥离掉原本占比三分之二的照明业务，在2021年10月正式宣布更名Wolfspeed，成为一家专注于第三代半导体的企业。

三倍、十倍、十三倍……不管是短期还是中长期，这些海外第三代半导体企业都有着非常高的预期增长倍数。这还仅仅是第三代半导体中碳化硅这一种材料，氮化镓等其他材料，同样有着高增长预期，与芯片行业砍单的“冷清”形成鲜明对比。

为什么出现这种冰火两重天？第三代半导体在当下中 美高科技竞争的形势下，又有着怎样的意义？

01

材料革命

硅基芯片的下行，有着国际博弈、非理性囤货等带来的周期性波动影响。碳化硅等第三代半导体在这一纷繁局面下的兴起，却更多是技术成熟之后其材料优势所致。

Wolfspeed公司首席技术官John Palmour就指出，一辆电动汽车采用碳化硅元器件的价值约在 250 美元至 500 美元之间（取决于其功率要求），但碳化硅元器件却能够为汽车制造商在电池成本、电池和逆变器的体积与重量以及冷却要求等多个方面节省成本，每辆车节省总成本可高达 2000 美元。

500美元付出换取2000美元收益，这是一个非常划算的投入产出比。据EV-Volumes统计，2021年全球销售电动车达650万辆，其中，纯电汽车销量约为460万辆，混合动力车型销量约为190万辆。不管是纯电还是混合动力，都对碳化硅等元器件有需求，仅以650万辆电动汽车计算，碳化硅在电动车市场的规模也有3.25亿美元。

看起来，似乎还是不够大？但碳化硅在电动汽车领域的大发展，仅仅只是一部分应用，在更多领域，第三代半导体还有着广泛的市场空间。

8月份，氮化镓龙头就以总价接近3亿美元，收购2021年营收位居全球前八的碳化硅企业GeneSiC。纳微半导体还预测：到2026年，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率技术的综合市场机会将超过200亿美元。

正因此，纳微半导体才决定：氮化镓和碳化硅两种材料的市场全都要抓。并且，纳微半导体也在汽车及更多领域开拓，为这一场材料革命储备尽可能多的客户。

在电动汽车领域，纳微客户包括比亚迪、路虎、梅赛德斯 AMG、吉利等数十家巨头。除了电动汽车，纳微还在太阳能和储能以及铁路、电网、工业电机等更广泛的工业市场拥有头部客户。

而在常见的汽车、消费电子快充装置之外，无论是军舰上的相控雷达，还是高铁上的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT）器件，氮化镓等材料都有着广泛且必不可少的应用，民用市场、军用市场规模上限都很高。

对于未来几年市场，有人乐观，同样也有并不那么激进的预测。TrendForce集邦咨询却预测：2025年第三代半导体碳化硅/氮化镓功率市场规模合计可达47.1亿美元，相比2020年7.3亿美元CAGR为45%。增长率虽高，但对比纳微2026年超过200亿美元市场的预测，相隔一年预测值却有着高达5倍以上的差别。

基于不同的计算方法以及各家智库掌握数据的不同，预测值不同也属正常。但大家没有异议的，是对产业未来高增长趋势的判断。

02

高增长带来产业风云变幻

众多行业人士对第三代半导体产业的乐观判断，与电动汽车产业等以电为核心驱动的产业拉动起的需求有很大关系。

要想让电动车续航更长，一靠开源，那就得增加电池容量；二靠节流，比如采用低损耗、耐高温及耐高压的碳化硅功率元件。

由于碳化硅禁带宽度是硅的3倍，导热率为硅的4-5倍，击穿电压为硅的8倍，电子饱和漂移速率为硅的2倍，在高电压、大功率工作环境下其性能更加优异，且电流传导效率更高。电动汽车如果采用第三代半导体碳化硅功率模块，可节约电动车整体能耗5%至10%。

天风证券测算，电动车使用碳化硅材料可让电机逆变器效率提升4%，并至少提高7%续航。而2018年特斯拉在 Model 3中首次将IGBT模块换成了SiC模块的案例数据也显示，在相同功率等级下，碳化硅模块封装尺寸明显小于硅模块，且开关损耗降低了75%，系统效率可以提高5%左右。这种替换成本每辆车尽管增加近1500元，但整车效率的提升可以在同样续航下使用更小的动力电池，从而在电池端将成本省回来。

但单汽车本身提高的百十公里或者更多续航里程，并不足以缓解人们的续航焦虑。甚至建立堪比加油站密度的充电站网络，也并非缓解续航焦虑的关键。

真正能缓解续航焦虑的，还是快充速度，而这，同样离不开第三代半导体。

据华为的一项研究，采用了800V高压模式的快充支持30%-80% SOC（荷电状态，反映电池的剩余容量）*功率充电，而低压大电流模式仅能在10%-20% SOC进行*功率充电，在其他区间充电功率下降得非常迅速。

但800V高压快充会涉及到车内电源到车外充电整个强电链路，硅基IGBT芯片难堪重任，而具备耐高压、耐高温、高频等优势的碳化硅器件是目前*的替代方案。

在电动车领域之外，碳化硅期间还可以使特高压电网损耗最高降低60%，轨道交通功率器件系统损耗降低20%以上。国家第三代半导体技术创新中心主任张鲁川近日就表示，第三代半导体未来产业规模将高达数千亿元人民币。

这个预测其实没有包括第三代半导体照明，而是对碳化硅、氮化镓快速发展的乐观预测。

如果将半导体照明计算在内，据CASA数据，2020年我国第三代半导体整体产值超过7100亿。其中，半导体照明整体产值约7013亿元，同比下降7.1%；碳化硅、氮化镓电力电子产值规模达44.7亿元，同比增长54%；氮化镓微波射频产值达到60.8亿元，同比增长80.3%。

在以电为核心的诸多产业中，中国已经在电池领域成为全球产能*。中国在国际产业竞争中，往往是先取得产能、规模上的*，再借助产能优势逐渐攀升技术制高点。光伏产业就非常典型，而第三代半导体产业，能否复制这条成功之路呢？

03

中企何为

美国当然不会坐视中国的产业逆袭：哪怕是对中国已经逆袭成功但还未形成类似光伏产业全球*大产能的动力电池产业，美国已经开启了围堵之路。

在全球动力电池企业前十名中，中国厂商已经占据六席，宁德时代上半年全球市场份额更是从 28.6% 上升到 34.8%。而美国总统拜登在8月签署的《2022年通胀削减法案》（Inflation Reduction Act）就针对动力电池产业规定，2024年起，电池成分中包含任何产自“特别关注国”名单中的国家（中国在列），将不再适用补贴。

对此商务部新闻发言人束珏婷9月22日称，该法案相关措施以整车北美当地组装等条件作为提供补贴的前提，对其他进口同类产品构成歧视，涉嫌违反世贸组织最惠国待遇、国民待遇等原则。

但只要自身技术够硬，其实就无惧相关法案的围堵。

如前不久美国防部宣布将暂停接收F-35隐身战机，就是因为在其配套的涡轮发动机中，发现了中国制造的特殊磁铁。但由于全球并没有其他国家可以供应这种特殊磁铁，9月21日美国白宫只能表示，已决定不限制从中国进口这种烧结钕磁体。

而在第三代半导体领域，国内的碳化硅项目吸引汽车巨头参与投入，上汽、北汽、广汽、吉利等大型汽车集团正在加大本土碳化硅产业链的投资力度。同时，中国已经有一大批上市或待上市企业积极布局，且上半年增长飞速。

北方华创半年报显示，上半年获得营业收入54.44亿元，同比增长50.87%；净利7.55亿元，同比增长143.16%。斯达半导上半年实现营业收入11.54亿元，同比增长60.53%；净利3.47亿元，同比增长125.05%。

据央视财经报道，中国电科的碳化硅器件装车量已经达到100万台，旗下企业已经实现了6英寸碳化硅晶片的规模化生产，年产能达到15万片，处于国内前列。今年3月，还率先发布了新一代8英寸碳化硅晶片产品。

中国电科第55研究所研发的以氮化镓功率放大器为主的多款产品，甚至还用于问天实验舱发射任务，并标志着氮化镓功放芯片首次在星载领域实现批量工程化应用。

天岳先进也在近日宣布，已成功研发8英寸碳化硅衬底，具有良好的结晶质量，且在粉料合成、热场设计、工艺固化、过程控制、加工检测等全流程实现技术自主可控。

而在氮化镓领域，国内企业在衬底、外延、设计、制造等领域均已实现布局，例如衬底制造商苏州纳维、东莞中镓；外延制造商晶湛半导体、江苏能华；设计企业安谱隆、海思半导体；制造企业三安集成、海威华芯等。据飞鲸投研，第三代半导体难点不在设备、不在逻辑电路设计，而在于工艺，相比较逻辑芯片难度降低；且对设备要求相对较低，投资额相对较小。

这些，都是对中国有利的因素。第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲就曾在采访中指出，相较硅集成电路，第三代半导体材料对芯片性能起决定性作用，芯片制造工艺门槛相对低、投资小，对尺寸线宽、设计复杂度的要求远低于硅集成电路，在材料、装备、设计和芯片代工方面都有发展势头好的企业，是适合中国目前发力的半导体具体领域。

在国家政策和资金支持下，各地方政府掀起了第三代半导体投资热潮，目前已初步形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域，北京、深圳、济南、保定等多个城市都有深入布局，政府也“置身事内”，打造覆盖衬底、外延、芯片及器件、模组、封装检测以及设备和材料研发的第三代半导体全产业链生态。

Yole数据显示，硅仍是半导体材料主流，占比95%。随着第三代半导体渗透率逐年上升，2023年，碳化硅的渗透率有望达到3.75%，氮化镓渗透率达到1.0%，两者合计第三代半导体渗透率则可以达到4.75%。

尽管第三代半导体和*代、第二代并非替代关系，而是互补关系。硅的时代不会结束，但第三代半导体逐渐提高渗透率之后，肯定会挤占硅的渗透率。而这也将是中国企业反超国际巨头的一次机会。

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