当新能源遇上半导体

时代的黄金交汇点。

作者/温宇

编辑/小市集女孩

价格保持不变，集成电路上可容纳的组件数量将大约每18到24个月翻一番，性能也将同时翻一番。

在过去的几十年里，芯片行业的进步严格遵循了这种人为的惯例，但当台积电宣布突破1nm工艺时，摩尔定律理论上已经进入了死胡同。

为了延续这一趋势，必须在基础材料方面形成突破。

一

向上跳跃

自开发以来，半导体材料经历了多次迭代。

第一代半导体材料主要由硅和锗组成。20世纪60年代后，硅基半导体逐渐成为主流，直到现在仍然是应用最广泛的半导体材料。全球95%以上的芯片都是由硅片制成的。

第二种半导体材料的代表是砷化镓，它可以用于制造高频和高速集成电路。然而，根据目前的需求，砷化镓的带隙仍然很小。

第三代半导体材料应运而生。以碳化硅和氮化镓为代表的材料可以制备高电压和高频功率器件。其中，碳化硅是综合性能最好、商业化水平最高、技术最成熟的第三代半导体材料。

碳化硅并不是对原有技术的逐步改进，而是一种跨越式的升级。

在相同的规格下，碳化硅基MOSFET的尺寸仅为硅基MOSFET尺寸的1/10，导通电阻为后者的1/100。与硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的总能量损失可以降低70%。

碳化硅的性能优势在各种新能源行业中得到了充分展示。

应用于风力发电领域，可以将效率提高20%。

应用于光伏逆变器，转换效率可从96%提高到99%以上，能量损失可减少50%以上，设备循环寿命提高50倍。

最重要的应用是在新能源汽车中。

2016年，在成本控制上近乎反常的特斯拉率先在Model 3的主逆变器上安装了24个意大利半导体生产的碳化硅MOSFET功率模块。要知道，当时碳化硅功率器件的价格是等效硅器件的十倍。

后来的事实证明，马斯克的眼光一如既往地敏锐。

根据福特的计算，与传统硅片相比，碳化硅芯片驱动的新能源汽车的能量损失减少了约5倍。到目前为止，超过40%的纯电动汽车采用了碳化硅技术，比亚迪是第一个吃螃蟹的国产品牌。

在使用自主研发制造的SiCMOS FET控制模块后，比亚迪汉EV车型的性能在去年显著提高，功率达到363Kw，实现了每百公里3.9秒的加速，续航里程延长至605公里。

不仅在新能源行业，碳化硅在家电、通信、航空、高铁、工业电机等领域发挥着重要作用。

但到目前为止，碳化硅的普及率仍然很低。

二

渐进渗透

根据Yole的数据，2021，第三代半导体功率器件的市场份额仅为6%左右，SiC功率器件约占5%，市场规模约为8.5亿美元。

性能好，但渗透率低，原因只有一个：价格昂贵。

根据CASA的数据，2020年，650V SiCMOS FET与SiIGBT的价格比约为4:1，SiC逆变器模块的价格是硅基逆变器价格的2-3倍。

新能源产业附加值高，成本承受能力强，因此率先引入了第三代半导体材料。然而，许多行业的价格敏感性很高，只能等待进一步的成本降低。

对于任何新技术来说，成本都是影响工业化的核心变量。对于碳化硅，碳粉净化难度高、晶体生长缓慢、晶体切割速度慢等因素共同决定了成本刚性。

首先，高质量碳化硅的基础……

stals是要有高纯度的碳粉，但提纯过程对工艺要求极高，合成也需要时间探索。

其次，碳化硅晶体的生长速度非常缓慢。碳化硅在7天内只能生长约2厘米，相比之下，一根长度约2米的8英寸硅棒可以在2-3天内拔出。

最后，由于碳化硅的高硬度，它不仅需要很长的切割时间，而且产量也很低。一般来说，硅片的切割只需要几个小时，而碳化硅晶片的切割需要数百个小时。

技术成本的降低是一场持久战，这意味着碳化硅的渗透是一个渐进的过程。然而，随着基板尺寸的增加，规模效应给成本降低带来了显著的改善。

碳化硅的基板尺寸主要包括2英寸、3英寸、4英寸、6英寸和8英寸等规格。尺寸越大，每个单位基板可以制造的芯片就越多，边缘的浪费就越小，从而在整个单位芯片上均匀分布的成本就越低。

晶片尺寸从6英寸增加到8英寸将使芯片数量从488个增加到845个，而边缘浪费将从14%减少到7%。

碳化硅主要分为半绝缘型和导电型。目前，半绝缘产品的主流基板规格为4英寸，并且正在朝着6英寸的方向发展。导电产品的主流基板规格为6英寸，并正在寻求向8英寸发展。

随着技术的不断成熟和进步，碳化硅基产品的价格在过去几年中大幅下降。

如前所述，650V SiCMOS FET与SiIGBT的价格比约为4:1，而在2018年，这一数字高达10:1。

业内估计，未来碳化硅器件的成本每年将下降约10%，这势必伴随着更多消费场景的解锁。根据Yole的预测数据，到2025年，碳化硅器件将增长至25.62亿美元，年复合增长率为30%。

三

从裂缝中幸存下来

一步慢，一步也跟不上。

以美国、日本和欧洲为首的第三代半导体产业仍落后于中国。

与硅基功率半导体类似，碳化硅产业链还包括衬底、外延、器件和模块以及应用等环节，不同之处在于每个环节的价值都是颠倒的。

硅基半导体行业的晶圆成本最大，而碳化硅的附加值则集中在上游基板上。因此，碳化硅产业链的实际控制权实际上掌握在基板供应商手中。

▲ 数据来源：公共信息汇编

在全球范围内，Wolfspeed是基板领域的绝对领导者，市场份额高达62%，其次是II-VI，但仅占蛋糕的14%。根据Wolfspeed的计划，该公司将在2024年前将产能扩大30倍，因此基板行业的主导地位很可能会继续。

主要的本地顶级参与者是山东天悦和天科和大。

天科和达是国内首家开工的企业，建立了第一条碳化硅晶圆中试生产线，并率先开发了6英寸碳化硅晶圆。但单就电流强度而言，山东天悦更是更胜一筹，尤其是在半绝缘基板领域。

数据显示，2020年，山东天悦在半绝缘基板领域的市场份额约为30%，较2019年的18%大幅提升。根据公司最新发展规划，已决定投资25亿元扩建电碳化硅基板，到2026年实现年产30万片的产能。届时，该领域的全球市场份额预计将达到15%左右。

对于本土企业来说，规模扩张仍然是其次，最重要的是突破技术瓶颈。目前，最先进的8英寸基板仍仅由Wolfspeed、II-VI和意法半导体等少数外国投资者持有。

1月12日，山东天悦先进科技股份有限公司有限公司正式在科技创新板挂牌上市，交易时段市值高达400亿元。根据该公司此前公布的s……的认购名单……

战略投资者、汽车行业的关键公司，如宁德时代旗下的文鼎投资（300750）、广汽集团旗下的广汽七号（601238）、上汽集团（600104）和小鹏，都进行了战略投资。这一方面反映了公司的实力，另一方面也为公司未来在汽车产业链上打开局面奠定了基础。

在外延方面，凤凰光学（600071）可能是未来“全村唯一的希望”。

在此之前的多年里，凤凰光学的股价一直处于低位，但自今年9月30日以来，该公司股价飙升，在不到两个月的时间里最高涨幅接近三倍，并在此期间实现了连续11次涨停。

造成这种异常的根本原因来自凤凰光学收购普兴电子和国盛电子。

国盛电子掌握了8英寸硅外延工艺和技术，打破了发达国家的技术垄断，能够满足0.09-0.18μm功率器件的制造要求。普兴电子是国内第一家稳定生产8英寸硅外延材料的企业，填补了国内技术和产业化的空白。

菲尼克斯光学收购这两家公司，相当于控制了中国最大的外延片产能，也成为未来最有前途的本土碳化硅外延片制造商。从这个角度来看，股价妖魔化也是情理之中的。

设备端基本上由外国投资主导。根据Yole的数据，2020年，ST、Wolfspeed、ROHM、Infineon和Onsemis的市场份额分别为40.5%、14.9%、14.4%、13.3%和7.7%。CR5占据了90%以上的市场份额。

▲ 数据来源：Yole

国内参与者包括比亚迪半导体、星半导体、中车时代电气、华润微和三安光电（600703）等一批公司。

作为比亚迪的子公司，比亚迪半导体是全球第二大、中国最大的汽车级IGBT制造商。在碳化硅器件领域，该公司是全球第一家也是中国唯一一家在电机驱动控制器中实现SiC三相全桥模块大规模安装的企业。据业内估计，比亚迪可能在2023年实现所有电动汽车的碳化硅替代，届时比亚迪半导体将收到大量订单。

作为中国中车（601766）旗下公司，中车时代电气与比亚迪有着相似的身份，背后有着整车厂平台，在产品引进方面具有先天优势。目前，中车时代电气已建立6英寸碳化硅产业化基地，掌握了一整套芯片、模块、元器件和应用的自主技术。

华润微有能力整合整个产业链，包括芯片设计、晶圆制造和封装测试，使其成为中国领先的IDM公司。近日，华润微相继发布了第二代SiC JBS产品和1200VSiC MOSFET产品。该公司在互动平台上透露，最新的SiC MOS产品性能已经可以与国际一线品牌相媲美。

2018年贸易战之后，中国第三代半导体产业的布局明显加快。去年，共实施24个招商引资项目，投资额近700亿元，比2019年增长160%。

虽然暂时落后，但该行业尚未成熟固化，仍有赶超的可能。依托强大的内需市场，“以战养战”，不断向上迭代，我们相信国内外企业的差距将不可避免地继续缩小。

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