第三代半导体爆发前夕，谁在提前布局碳化硅？

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文｜董武英

编辑｜林晓晨

来源 | 芯锂话

ID：ddxinsanban

题图｜Pixabay

2018年，特斯拉在Model 3上破天荒的“一掷千金”，在主逆变器中安装了24个由意法半导体生产的碳化硅（SiC）MOSFET 功率模块。

当时，一块SiC芯片的价格要比传统硅芯片贵十倍左右，即使如今SiC售价有所下降，但SiC芯片的价格也是同等硅器件的数倍。

一直以来，特斯拉都是电动汽车市场的先驱，尤其在成本控制上几乎到了“丧心病狂”的地步，采用模块化平台、压铸一体成型后车体、优化电池包设计、放弃激光雷达，只要能够压缩成本，几乎无所不用其极。

但如此“吝啬”的特斯拉却愿意在几块小小的SiC芯片上花费重金，究竟原因何在？就为了显著提升续航能力。

相较于Model S上使用的IGBT模块，Model 3所采用的SiC芯片能够为逆变器带来5-8%的效率提升，即逆变器效率从82%提升至90%，大幅改善续航能力。此外，SiC器件在高温下表现更好，哪怕达到200度的高温，也能维持正常功率，保证长时间的高效率输出。

正是基于这些优势，马斯克最终将更昂贵的碳化硅应用到Model 3性能版上，由此带动了一场SiC替代传统硅基器件的产业革命。

一战成名的第三代半导体

随着Model 3的成功，SiC一战成名，功率模块开始迅速“上车”。

自此之后，SiC正式成为丰田、比亚迪、蔚来、通用、大众、雷诺-日产-三菱等车企的重点布局方向。SiC这一较为生疏的名词，也逐渐被市场所熟知。

实际上，SiC属于第三代半导体，这已经是半导体行业发生的第二次产业突破。

第一代即是以硅和锗等元素为代表的单质半导体材料，它的发现直接推动了人类通信、航空光伏技术的发展。

虽然被称为第一代半导体产品，但硅基半导体材料今日依然是产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。

第二代半导体材料以砷化镓、磷化铟为代表，相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，被广泛应用于光电子和微电子领域，是制作发光二极管的关键衬底。

第三代半导体材料以SiC和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，适用于高温、高压、高频率场景，同时具有电能消耗较少的优势。

值得注意的是，三代半导体之间并非彼此完全替代的关系，而是更类似于相互补充。每一代产品之间均有着各自的优势，仅在部分场景实现对传统产品的替换。

例如SiC耐高压，材料击穿电场强度是硅的10倍；同时热导率比硅更高，对散热的要求更低；适用高频场景，碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍，这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。

这意味着，SiC可以减少能耗损失，提高能源转化效率，SiC材料能够实现在射频器件和功率器件上对硅基材料的性能完美替代。

在此之前，硅基IGBT统治了高压高电流场景，而硅基MOSFET效率远不如IGBT，仅适用于低压场景。不过，硅基IGBT也存在一些缺点，比如无法承受高频工况、功耗较大等。

SiC出现后，由于具备耐高压、耐高频的特性，因此仅用结构更简单的MOSFET器件就能覆盖现在IGBT耐压水平，同时规避硅基IGBT的缺点，耗能更少。数据统计显示，相同规格的碳化硅基 MOSFET较硅基 IGBT 的总能量损耗可大大降低 70%。

正是因此在Model 3上的成功，让第三代半导体迅速商业化落地，由此也让资本市场注意到了小小元器件的价值。

SiC的“奇点时刻”

尽管SiC存在诸多性能上的优势，但明显过高的成本依然限制了它的全面应用。

硅晶圆制造工艺成熟，硅基器件成本极低。与之相对，目前商用SiC衬底制备需要用到物理气相传输法（简称PVT法），这种方法需要极高温度，同时生长周期长、控制难度大，良品率低。此外，SiC硬度极高且脆性高，切割耗时远远高于普通硅片。

这些原因综合起来，造成了碳化硅的高成本难题。

目前来看，SiC器件成本仍是硅基产品数倍。但考虑到SiC器件的低能耗优势，以及量产和技术成熟带来的成本下降趋势，在新能源时代，SiC即将迎来属于它的性价比“奇点时刻”。

新能源时代将是SiC的大舞台。在新能源汽车行业，SiC可用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩等。

在逆变器上，一辆使用SiC功率器件的电动汽车，在同等电池条件下，续航能够提升5-10%。这也是目前碳化硅在新能源汽车应用最多的市场。而在充电和快充领域，随着成本的降低，碳化硅器件的应用也在逐渐深入。

此前，小鹏布局的800V高压快充平台，即配置SiC芯片，用以在高压场景中发挥关键性能。

与此同时，新能源革命还带来了更多应用场景，光电、风电等不规律发电模式，以及配套的储能体系，将成为SiC器件有待开发的庞大市场。

如在光伏发电上，目前光伏逆变器龙头企业已采用SiC功率器件替代硅器件。新基建中，特高压输电工程对SiC器件具有重大需求。

广而言之，未来SiC将在固态变压器、柔性交流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。

据Yole预测，SiC器件应用空间将从2020年的6亿美金快速增长至2030年的100亿美金。华为预计，在2030年光伏逆变器的SiC渗透率将从目前的2%增长至70%以上，在充电基础设施、电动汽车领域的渗透率超过80%，通信电源、服务器电源将全面推广应用。

乐观估计，属于SiC的大时代即将来临。

国产半导体的突破口

从更高维度分析，以SiC为代表的第三代半导体材料，有望成为中国半导体行业的突破口。

以硅基IGBT为例，全球IGBT等元器件目前仍以英飞凌、安森美、三菱、富士等为主。数据显示，2019年IGBT模组市场份额CR10占比81.10%，其中仅斯达半导为国内企业，占比仅2.50%。

虽然在新能源汽车IGBT细分领域上，斯达半导和比亚迪等企业市场份额占比较大。但在全球硅片产能整体受限的情况下，IGBT产品配额十分匮乏，国产化替代步伐并不算快。

而SiC跳出了硅片大局，并不受制于全球硅片产能问题。更重要的是，全球第三代半导体目前总体处于发展初期阶段，国内企业与国际巨头差距并不大。

纵观整个产业链，SiC的下游工艺制程具有更高的包容性和宽容度，制造环节对设备要求相对较低，投资额相对较小，主要关键之一在上游材料端。

国际巨头具有领先优势，如现已更名Wolfspeed的科锐公司，已经完成碳化硅全产业链的覆盖，能够量产8英寸碳化硅衬底。

虽然目前国内企业仅能生产4英寸和6英寸衬底，但从它们的量产时间上看，落后国际巨头的时间由10年以上缩短至7年，差距正在不断缩小。

以全球半绝缘型SiC（即用做氮化镓射频器件衬底）市场份额看，2020年美国科锐和贰陆公司市场份额分别为33%和35%，而山东天岳市场份额已达30%，排名全球第三。

山东天岳在半绝缘型碳化硅市场上份额逼近国际巨头

在导电性SiC晶片（即用作功率器件衬底）上，国际巨头优势较大，但国内企业也在努力追赶。2018年，国内天科合达和山东天岳市场份额分别为1.7%和0.5%，天科合达排名全球第六。

新能源大时代，国内是最大的新能源汽车市场，更是最大的能源使用国之一，在此催化下，国产SiC产业链有望实现更快发展，甚至成为我国在半导体行业的突破口。

谁在提前布局SiC？

显而易见，SiC产业链已经成为资本热捧的风口。

由上至下，SiC产业链可以分为衬底、外延、器件和应用四大环节。

衬底环节，山东天岳、天科合达已经成为国内龙头，其中，山东天岳科创板IPO已获通过，将成为碳化硅衬底第一股。其他公司方面，天科合达申请主动终止了IPO申请，河北同光晶体也传出科创板IPO计划。

在外延和器件环节，市场参与者众多。外延环节主要有瀚天天成、东莞天域等，器件环节有泰科天润、中车时代电气、绿能芯创、上海瞻芯等企业，同时覆盖这两个环节的更有中电科十三所、中电科五十五所、基本半导体等。

风口之下，SiC也已成为国内上市公司投资布局重点方向。

目前，三安光电已宣布总投资160亿元，将打造国内首条、全球第三条SiC垂直整合产业链，覆盖衬底、外延和器件三大环节。这种模式目前仅科锐和罗姆两大公司采用，其他国际巨头们也正在通过投资并购等方式实现全产业链布局。

露笑科技计划总投资100亿布局SiC产业项目，目前已经开启6英寸导电性SiC衬底小批量试生产；光伏晶体设备生产商晶盛机电也宣布31.34亿元投资SiC衬底晶片生产基地项目，设计产能年产40万片6英寸及以上尺寸的导电型和半绝缘型SiC衬底晶片；凤凰光学碳化硅外延材料也已具备量产能力。

此外，华润微、斯达半导等半导体企业也在布局SiC衬底和器件环节。其中，华润微SiC产品即将发布。

SiC也迎来科技巨头密集押注。据山东天岳招股书，华为旗下哈勃投资是山东天岳第四大股东，发行后持有6.34%股权；同时，哈勃投资也是天科合达第四大股东，IPO终止前持有4.82%股权。除此之外，华为还投资了瀚天天成以及东莞天域两大碳化硅外延龙头企业。

此外，小米旗下湖北小米长江产业基金也在今年10月底投资SiC器件企业上海瞻芯，持股6.80%；TCL资本参与了SiC器件企业泰科天润的D轮融资。

可以看到，SiC已经成为科技巨头和资本布局的重点方向。随着核心技术路线更为成熟，其降成本路径已经显现，在新能源大局和国产半导体崛起契机下，SiC有望开启千亿级蓝海市场。

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