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市场误解:二代半导体替代一代,三代半导体替代二代?

通过上面的变迁史和场景探究,能够发现各代半导体各自不同的材料特性决定了它们的差异化应用场景,新一代半导体往往随着市场新增需求崛起,前一代被后一代替代的领域并不多。

所以,第一、二、三代半导体是其实是技术互补,而非线性替代关系。且应用场景的变化才是半导体发展的核心推动力,而非技术创新。

以Si为核心的第一代元素半导体,优势是储量大、价格便宜、功耗也低,适合制造庞大规模的集成电路,低压、低频、中功率的晶体管,应用场景主要有手机、电脑、消费电子、通信、航空航天、国防军工、光伏等领域。

第一代半导体材料的发展已经十分成熟。硅片占据着全球95%以上的半导体器件市场和99%以上的集成电路市场,DRAM等存储芯片、CPU、GPU等逻辑芯片未来依然是Si的天下,存量极大,增速稳定,而且产业界已经用惯了硅器件,存在路径依赖的问题,所以Si在可预见的时间内都难以撼动。

以GaAs为核心的第二代化合物半导体,优势是禁带宽度、电子迁移率较高,光电性能好,适合制造高速、高频、大功率的超高速集成电路、高性能微波、毫米波器件、激光器和发光电子器件,应用场景主要有卫星通讯、移动通讯、光纤通信、无线区域网络、卫星定位、国防军工、航空航天等领域。

第二代半导体材料处于蓬勃发展期,行业中速发展,但GaAs、InP比较稀缺,价格昂贵且略带毒性,因此天花板不高。

以SiC、GaN为核心的第三代宽禁带半导体,优势是具有高击穿电场强度、高饱和电子漂移速率、高热导率,适合制造高频、高温、高压的大功率器件,应用场景主要有功率半导体、新能源汽车、光伏风电、半导体照明、5G基站、充电桩、特高压、光电子等领域。

第三代半导体材料还在起步期,潜力巨大,增速极高。但仍有不如意的地方。一方面,增量空间大,但存量空间小,2020年SiC和GaN器件仅占整个功率半导体器件市场的4．2%-4．5%,厂商的销售渠道需要多探索,存在一定不确定性;

另一方面,第三代半导体的成本很高,SiC器件价格达到IGBT的3-5倍,很多行业不像应用于新能源汽车的效果这么好,价格敏感性也更强,所以还需等待第三代半导体的成本降低,以解锁更多消费场景。

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我国第三代半导体的发展机遇与龙头公司

蒸蒸日上的第三代半导体很显然会吸引国际巨头的布局和全球资本的关注。

2016年,英飞凌欲以8．5亿美元收购CREE旗下专注SiC功率器件及射频功率解决方案的Wolfspeed而被美国政府干预不得;

2018年,英飞凌出手收购德国厂商Siltectra,弥补自身晶体切割工艺,12月,英飞凌又与全球SiC材料龙头CREE签署长期协议,保证自身光伏逆变器和新能源汽车领域的产品供应;前不久,英飞凌表示有望在3-5年后把SiC、GaN器件成本降到跟硅基器件相仿的程度。

2019年,在全球碳化硅产能受限的环境下,意法半导体不仅与CREE签署价值2．5亿美金的长单协议,还收购了瑞典SiC晶圆厂商Norstel AB,保证自身晶圆供给量,满足汽车和工业客户未来几年增长的MOSFET和二极管需求;今年7月,意法半导体宣布制造出业界首批8英寸SiC晶圆,合格芯片产量达到6英寸晶圆的近两倍。

2019年5月,美国CREE公司在SiC市场需求持续高速增长的情况下,宣布5年内将投资10亿美元在纽约建造自动化生产工厂,以此扩大SiC产能,其中4．5亿美元用于8英寸量产,到2024年全部完工时将带来SiC材料的30倍产能增长。

国内的第三代半导体发展与美欧日存在相当明显的差距,6英寸技术也才起步未能量产,8英寸则是毫无头绪,80%的产品都依赖进口,高端人才更是受到多重束缚,流失严重。

卡脖子的关键技术落伍,产业链不成气候,情况不容乐观。因此,国家推出一系列政策、规划帮助国内第三代半导体进步。

2014年,工信部发布《国家集成电路产业发展推进纲要》,设立国家产业投资基金,重点支持集成电路产业发展,促进工业转型升级;

2015年,国务院发布的《中国制造2025》中,提出将集成电路及专用设备作为“新一代信息技术产业”纳入大力推动突破发展的重点领域;

2016年,国务院推出了《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》,首次提到要加快第三代半导体芯片技术与器件的研发;

2017年,科技部和交通运输部发布《“十三五”交通领域科技创新专项规划》,提出开展IGBT、碳化硅、氮化镓等电力电子器件技术研发及产品开发;

2019年,国务院在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业,推动制造业高质量发展,财政部及税务总局印发的《关于集成电路设计和软件产业企业所得税政策的公告》中,也针对集成电路设计企业和软件企业给予所得税减免;

2020年,再次推出《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,对于国家鼓励的集成电路设计、装备、材料、封装、测试企业和软件企业,自获利年度起,第一年至第二年免征企业所得税,第三年至第五年按照25%的法定税率减半征收企业所得税;

2021年,国家开展“强基计划”,将“集成电路”设为一级学科,加大对集成电路基础人才的培养,各地也出台人才扶持政策,设立专项激励政策与引导,加强对海外高端人才的吸引与保留。

因此,高确定性、高速度发展的第三代半导体,又搭上国产替代和国家支持的快车,国内产业链相关龙头公司迎来难得的机遇。

1、三安光电

在LED芯片产销规模龙头地位稳固基础上,三安光电旗下子公司三安集成承接化合物半导体业务,布局GaAs、SiC、GaN、光通讯和滤波器五大板块,主要应用在新能源汽车、光伏、储能、服务器电源、矿机电源等领域,目前已成为国内稀缺的在第三代半导体方面全产业链布局的领军龙头。

2、比亚迪

比亚迪投入巨资布局第三代半导体材料SiC,目前己成功研发SiC MOSFET,旗下子公司比亚迪半导体是全球首家、国内唯一实现SiC三相全桥模块在新能源汽车电机驱动控制器中大批量装车的功率半导体企业。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基的全面替代。

3、斯达半导

国内车规级IGBT行业龙头,拟自建晶圆产线用于生产高压IGBT芯片及SiC芯片,项目达产后将形成年产36万片功率半导体芯片的生产能力,SiC模块产品已用于宇通新能源客车的核心电控系统之中。

4、华润微

华润集团旗下的高科技企业、国内功率IDM龙头、中国本土最大的MOSFET厂商。SiC和GaN研产顺利,SiC二极管已实现小批量供货,SiC-MOSFET产品研发进入尾声,其产业化准备工作正有序推进,GaN 6寸和8寸产品同步研发中。

5、新洁能

国内MOSFET领先企业,自建IGBT封测产线,产品已切入宁德时代、中兴通讯、飞利浦等众多国内外龙头厂商供应链,是国内少数掌握高端功率器件核心技术的厂商之一。未来致力于打造第三代半导体功率器件平台。

6、露笑科技

公司依托蓝宝石业务积累,研发SiC长晶设备,专注于导电型SiC衬底片和外延片的生产和销售,目前项目进展顺利。

7、晶盛机电

晶盛机电是半导体材料装备和LED衬底材料制造的领先企业,围绕Si、SiC、蓝宝石开发出一系列关键设备,并由设备端切入半导体材料,公司的SiC长晶炉已成功生产出6英寸SiC晶体,同时8英寸SiC晶体生产已在研发中。