襁褓中的第三代半導體｜巨潮

　　不知道你是否注意到，近兩年安卓手機的充電速度越來越快了。

　　從“充電五分鐘通話兩小時”的65W快充發(fā)展到如今最快150W-200W，高達4000mAh的手機電池，8-10分鐘就可以充滿電量，可以說部分消費者使用手機的習慣已經(jīng)隨著快充技術(shù)的成熟徹底改變。

　　同樣的升級也正在新能源車領(lǐng)域上演。近期小鵬汽車上線了S4超快充首樁，可以在小鵬G9車型上實現(xiàn)“充電5分鐘續(xù)航200公里”的提升，還由此引發(fā)了“純動、混動，誰是新能源車未來”的討論。

　　這些變革背后，都離不開一條共同的新賽道——第三代半導體。

　　所謂第三代半導體，指的是以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體材料。與前兩代半導體材料相比，其最大的優(yōu)勢是較寬的禁帶寬度，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率的電子器件，因此在5G基站、新能源車、光伏、風電、高鐵等領(lǐng)域有著很大應(yīng)用潛力。

　　我國在第三代半導體領(lǐng)域與國際先進技術(shù)的差距較小，且新能源發(fā)展國際領(lǐng)先、有廣泛的第三代半導體應(yīng)用市場，因此這一賽道也被普遍認為是中國在半導體領(lǐng)域“換道超車”的重要機會，受到了政策的高度重視。國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要都明確指出“支持碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體發(fā)展”。

　　政府的政策鼓勵、廣泛的下游應(yīng)用市場和國產(chǎn)替代機遇，讓第三代半導體概念在資本市場上頗受追捧。第三代半導體板塊指數(shù)(885908)在去年和今年均經(jīng)歷過一次大的上漲周期，漲幅接近100%;國內(nèi)碳化硅外延片生產(chǎn)商鳳凰光學去年股價最高漲幅超過3倍。

　　第三代半導體板塊表現(xiàn)(2020年9月至今)

　　同時，和所有的新興產(chǎn)業(yè)一樣，在換代超車的美好愿景、資本追捧的狂熱背后，還有不少問題有待解決。

　　雖然下游應(yīng)用廣泛，但受限于市場規(guī)模，第三代半導體潛在的市場空間并不算大;雖然政策支持國產(chǎn)替代、資本市場熱捧，但目前國內(nèi)玩家相關(guān)業(yè)務(wù)的收入和利潤仍然微乎其微。

　　總的來說，第三代半導體目前的雷聲很大，但雨點還小。

　　01

　　“換代超車”

　　電動車是第三代半導體材料最核心的主要應(yīng)用市場之一。

　　如果說未來是屬于新能源的時代，那么以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體也將隨之占據(jù)舞臺的“C位”。

　　第三代半導體材料本身具備高頻、高效、節(jié)能等特性。相比第一代硅基半導體材料，其在高功率、高頻高壓高溫場景下有明顯優(yōu)勢——相同規(guī)格下，碳化硅基MOSFET的尺寸只有硅基的1/10，但導通電阻是后者的1/100。與硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的總能量損耗可以降低70%。

　　因而在新能源車、光伏、風電、5G通信等領(lǐng)域，第三代半導體都有著很大應(yīng)用潛力。

　　今年以來，盡管半導體行業(yè)處于逆周期，但800V汽車電驅(qū)系統(tǒng)、高壓快充樁、消費電子適配器、數(shù)據(jù)中心及通訊基站電源等細分市場的快速發(fā)展，推升了第三代功率半導體的市場需求。

　　電動車是第三代半導體材料最核心的主要應(yīng)用市場之一。尤其碳化硅功率器件，60%以上用于電動車領(lǐng)域——包括汽車空調(diào)、DC/AC主逆變器、OBC車載充電器、DC/DC變換器都需要用到SiC器件。SiC器件可以讓電機控制器的體積減少30%，重量隨之減輕，轉(zhuǎn)換效率平均大約有5%的提升。

　　目前特斯拉、比亞迪等車企已經(jīng)開始將SiC器件應(yīng)用于其新能源汽車的主控電路中。這帶動了一波碳化硅的“上車潮”。國內(nèi)的小鵬、蔚來、理想等造車新勢力，都已推出或宣布推出SiC模塊。

　　另外在光伏、風電和儲能逆變器領(lǐng)域，耐高壓的SiC器件有望大量應(yīng)用于大功率組串和集中式逆變器當中;GaN功率器件則更多應(yīng)用于至高5kW的住宅用微型逆變器中。兩者都可以有效提升能量轉(zhuǎn)換效率，提升設(shè)備循環(huán)壽命。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2020年光伏逆變器中碳化硅器件滲透率為10%，后續(xù)還會不斷提升。

　　眾所周知，我國已成為新能源汽車最大的生產(chǎn)國和全球最大的新能源汽車市場，光伏和風電裝機量規(guī)模也均是世界第一，發(fā)展高效節(jié)能的第三代半導體對于我國有著重要意義。在“雙碳”目標的加持下，國產(chǎn)第三代半導體正迎來難得的發(fā)展機遇。

　　有業(yè)內(nèi)專家統(tǒng)計，2030年中國年用電總量將超過10.5萬億度，如果用SiC器件全面替代硅器件做能量轉(zhuǎn)換，那么每年可以節(jié)約上萬億度的電，這一數(shù)字相當于10個三峽大壩的年發(fā)電總量。

　　更關(guān)鍵的是，目前第三代半導體處于研發(fā)的早期階段，競爭相對沒那么激烈、技術(shù)差距較小，我國和國際上其他龍頭大廠是在差不多的起跑線上起步。

　　且第三代半導體產(chǎn)品主要使用成熟制程工藝，與動輒幾納米的硅基半導體不同，它們還遠未達到幾納米級別，都在100納米以上，因此并不需要如荷蘭ASML的高端光刻機，也避免了被其卡脖子。

　　在第一代、第二代半導體落于下風的情況，第三代半導體是幾個重要領(lǐng)域的關(guān)鍵突破口，我國最有希望在這一領(lǐng)域“換道超車”。

　　02

　　“開胃小菜”

　　有著廣泛下游應(yīng)用和巨大經(jīng)濟價值的第三代半導體，只是一碟“開胃小菜”。

　　第三代半導體有著諸多性能上的優(yōu)勢，也有國內(nèi)大市場和國家政策為重要支持，但與此同時，它也有一個不可忽視的缺陷——市場很小。

　　如前文所言，碳化硅和氮化鎵是半導體應(yīng)用材料的雙雄。TrendForce集邦咨詢研究預測，碳化硅功率元件到2025年的全球市場規(guī)模將達到33.9億美元，年復合成長率高達78%，而氮化鎵功率元件至2025年市場規(guī)模僅為8.5億美元。與規(guī)模高達數(shù)千億美元的第一代半導體相比，這一市場要窄了不少。

　　可能會有人覺得不可思議，有著廣泛下游應(yīng)用和巨大經(jīng)濟價值的第三代半導體，為何只是一碟“開胃小菜”。

　　這或許是由于“第三代半導體”的稱呼讓人產(chǎn)生了錯覺。實際上，第三代半導體并不是第一代和第二代半導體的升級，并不比前兩代更加先進，三者其實是共存的關(guān)系，各有各的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域：

　　第一代半導體以硅材料為主，應(yīng)用極為廣泛，其主要細分領(lǐng)域包括了集成電路、光電子、分立器件、傳感器;從昂貴的英偉達顯卡、蘋果M1芯片，到只有幾分錢一個的二極管都屬于第一代半導體;

　　第二代半導體以砷化鎵、銻化銦為代表，主要應(yīng)用于移動通信、無線通信、光纖通信、LED、衛(wèi)星導航等領(lǐng)域;

　　第三代半導體以氮化鎵、碳化硅為代表，其主要應(yīng)用于新能源車、光伏、風電、5G通信等領(lǐng)域。

　　從整體產(chǎn)值規(guī)模來看，第三代半導體目前還是一個小眾市場，第二代、第三代半導體市場占比加起來不過 10%。

　　臺積電董事長劉德音曾在2021年公開表示，第三代半導體產(chǎn)值小，無法與硅基半導體相比，是特殊技術(shù)。“盡管備受期待，但目前有一部分是廣告效果。”

　　從產(chǎn)品細分領(lǐng)域來看，第三代半導體主要應(yīng)用于功率器件，屬于分立器件、獨立器件的層面(與集成電路相對立)，其應(yīng)用的產(chǎn)品范圍比第一代硅基材料要窄得多。

　　從價格層面上，第三代半導體雖然是新興技術(shù)，但新主要體現(xiàn)在材料處理上，使用的還是成熟工藝，技術(shù)門檻并不算很高。功率器件也很難像高端集成電路一樣賣出高價，獲得高利潤。

　　以氮化鎵mosfet為例，其單顆價格大約是硅基mosfet的6倍，但在1688網(wǎng)站上的單個批發(fā)價格也不到10元，與高端集成電路如單顆售價上千元的高通驍龍旗艦芯片有著顯著差別。這也造成其市場規(guī)模整體不大。

　　03

　　“四足鼎立”

　　國內(nèi)的競爭卻要比國際上更加激烈，眾企競逐，格局混亂。

　　由于使用成熟工藝，第三代半導體的技術(shù)門檻并不算很高，又由于整個賽道仍然處于初級階段，本身就不大的市場上吸引了眾多企業(yè)涌入，顯得格外擁擠。

　　全球范圍內(nèi)，有專家指出，美國、歐洲、日本、中國在第三代半導體發(fā)展上處于“四足鼎立”狀態(tài)。英飛凌(歐洲)、意法半導體(歐洲)、三菱電機(日本)、安森美(美國)、瑞薩電子(日本)等玩家憑借著在硅基功率器件的制造經(jīng)驗，都在布局第三代半導體的制造。

　　并且由于歷史原因，這些國際對手的技術(shù)水平上仍然領(lǐng)先于我國本土企業(yè)。

　　但國內(nèi)的競爭卻要比國際上更加激烈，眾企競逐，格局混亂。從襯底、外延、到設(shè)計、制造、封測領(lǐng)域，以三安光電、聞泰科技、露笑科技、新潔能、時代電氣、山東天岳、士蘭微、揚杰科技、斯達半導、宏微科技等半導體公司都在加速布局。

　　士蘭微股價表現(xiàn)(2021年初至今)

　　且第三代半導體不需要像臺積電那樣一座晶圓廠動輒投入數(shù)百億元，大約10億元就能建起一個一般規(guī)模的制造廠。中芯國際創(chuàng)始人張汝京就曾表示，第三代半導體材料和器件的生產(chǎn)制造投資金額較小，并且周期較短。疊加行業(yè)的技術(shù)門檻并不高，這些都在客觀上助推了行業(yè)的激烈競爭。

　　受到了來自資本市場、媒體輿論等多方面的追捧與期待，但第三代半導體業(yè)務(wù)對于國內(nèi)玩家們真實的業(yè)績貢獻，在現(xiàn)階段還不算高，尤其是新玩家，能展示在財務(wù)報表中的收入和利潤更少。

　　以龍頭企業(yè)三安光電為例，2021年集成電路芯片業(yè)務(wù)營收15.33億元，僅占其總營收的12.2%;且該業(yè)務(wù)中還包含了激光器及探測器芯片、砷化鎵射頻芯片等相當部分非三代半導體的產(chǎn)品。至今其主力業(yè)務(wù)還是LED芯片。

　　對于士蘭微、新潔能、聞泰科技、揚杰科技等功率半導體玩家來說，還需要面臨的一個問題是碳化硅、氮化鎵功率器件，是否會對其原業(yè)務(wù)硅基功率器件形成替代，一旦新技術(shù)、新產(chǎn)品跟不上，其業(yè)績更容易受到競爭對手的沖擊。

　　整體上看，目前國內(nèi)第三代半導體玩家的業(yè)績?nèi)匀恢饕�依賴傳統(tǒng)硅基芯片業(yè)務(wù)。 當半導體行業(yè)處于周期下行階段時，業(yè)績也會受到?jīng)_擊。

　　沒有堅實業(yè)績的支撐的情況下，只依靠擴產(chǎn)消息和想象力，這些概念公司還無法走出長牛。

　　04

　　寫在最后

　　我國企業(yè)正在第三代半導體領(lǐng)域中持續(xù)發(fā)力。正如在家電、電子產(chǎn)品、光伏等多個領(lǐng)域發(fā)生的一樣，國內(nèi)企業(yè)往往以較低的價格占領(lǐng)市場，同時大大拓寬下游應(yīng)用規(guī)模，整個行業(yè)有機會加速成長。

　　世界先進董事長方略曾經(jīng)表示，“即使再過5年，第三代半導體產(chǎn)值也未必超過(半導體整體市值的)1%，但是新材料(碳化硅、氮化鎵)衍生的商機，將突破硅材料無法做到的領(lǐng)域，將是值得探索的嶄新世界。”

　　尤其對于中國一個能源大國來說，第三代半導體的價值不僅僅在于行業(yè)規(guī)模和產(chǎn)值，其提升效率、節(jié)約能耗的特性，同樣可以創(chuàng)造出巨大的社會價值。

　　資本市場通常對于新生事物的正面價值和意義更加看重，但其現(xiàn)階段所存在的問題也同樣不容忽視。投資者們在積極投入第三代半導體的同時也應(yīng)該更加明確，至今它仍在襁褓之中。