隨著全球芯片產業(yè)的快速發(fā)展，代工技術的重要性與日遞增

液壓、齒輪、減速器、芯片、光伏等等，每個領域的國產突破，都伴隨著精彩的產業(yè)故事，和波瀾壯闊的投資機遇。正所謂，國產的風，正暖暖吹過。穿過芯片穿過汽車。股和基的布局，產業(yè)正輕輕說著。

未來十年，中國產業(yè)依然會有數(shù)百個，甚至上千個細分領域成為全球的No.1，在這里誕生1001個關于“國產崛起”的故事。而中國產業(yè)崛起的潮流，也并非一蹴而就。會有精彩、成功，也會有更多的坎坷、曲折。但無論如何，都值得去觀察、去記錄、去探索、去碰撞。

因此，遠川研究所特意發(fā)起了“迎風國潮”系列活動，通過“報道與研究、線上與線下、內部與外部、案頭與調研”等多種形式，邀請“企業(yè)、政府、院校、資本、觀察”等多方，一起見證“國產崛起”。

前兩場閉門研討會，我們重點探討了正迎來國產化加速期的射頻芯片與這幾年火熱的“新能源車”行業(yè);第三場閉門研討會，我們將目光轉向蘊藏巨大增長潛力的功率半導體行業(yè)。讓我們先來梳理一下，為什么要關注功率半導體?

首先，功率半導體在當下時點具有核心地位。無論是關系制造業(yè)基石的工控，景氣爆棚的新能源汽車，還是最近炒的厲害的風電，都離不開功率半導體在產品中調節(jié)電流電壓，驅動整機產品完好運轉。

其次，第三代半導體的使用正加速改變行業(yè)格局。相較于硅，碳化硅在高電壓、高功率場景具有更好的性能表現(xiàn)，有望替代部分硅在電動車上的應用，提高整車性能。氮化鎵則適合高頻率應用，廣泛應用在快充領域。性能近乎“完美”的第三類半導體也有制約其發(fā)展的因素，那就是制作難、成本高。而隨著各大供應商陸續(xù)擴大產能、加快技術研發(fā)，第三代半導體將有較大的成長空間。

最后，功率半導體國產替代正迎來春天。行業(yè)未來的增量，將集中在中國。新能源車、光伏、風電等新興領域，都是我國重點發(fā)展的產業(yè)。隨著下游需求市場的持續(xù)擴大，將帶動功率半導體市場產值不斷增長、國產替代趨勢加速前進。根據(jù) IHS 數(shù)據(jù)，2022年中國功率半導體市場規(guī)模有望達到 182.70 億美元，2018-2022年 CAGR 達到7.11%。

功率半導體作為上游的芯片產品，下游多路并進，景氣可以稱之為“繼往開來”，這也是當下最值得我們關注的行業(yè)之一。

我國在第三代半導體領域與國際先進技術的差距較小，且新能源發(fā)展國際領先、有廣泛的第三代半導體應用市場，因此這一賽道也被普遍認為是中國在半導體領域“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、廣泛的下游應用市場和國產替代機遇，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)在去年和今年均經歷過一次大的上漲周期，漲幅接近100%;國內碳化硅外延片生產商鳳凰光學去年股價最高漲幅超過3倍。

從公開消息來看，中科院旗下的研究所，已經完成了對8英寸石墨烯晶圓的研制工作。同時，國家集成電路產業(yè)也早就開始對三代半導體材料進行運用，比如，小米之前發(fā)布的氮化鎵充電器，就使用到了某些第三代半導體技術。

同時，在碳化硅領域，國內有關企業(yè)已經開始向5G基站、新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)領域進行摸索，以此來實現(xiàn)技術上的突破。

從理論上來講，第三代半導體芯片以碳基芯片技術為主，該技術較硅基芯片具有更強大的穩(wěn)定性以及散熱能力。同時，碳基芯片較硅基芯片還會有低功耗、高性能的特點，能夠彌補芯片由于制程工藝不足，所造成的短板。

目前，歐美國家仍在硅基半導體技術上愈行愈遠，這也給予了國內“換道超車”提供了良好的先前條件。

伴隨著第三代半導體技術的成熟，中企也會因此迎來的轉機。更何況，在第三代半導體技術上，國內已經涌現(xiàn)了一批掌握核心技術的科技公司。比如，華潤微、賽微電子、聚燦光電已經開始在第三代半導體領域有所建樹。

華潤微對于碳化硅芯片器件的開發(fā)，已經實現(xiàn)了650V、1200V碳化硅的JBS器件(高壓結勢壘肖特基二極管器件)的供應。

8月15日一期刊登封面文章，題為《中國三代半導體換道超車超越美國圍堵》，全文摘編如下：

美國對中國芯片制造業(yè)進行全方位圍堵。中國選擇換道超車，依靠傳統(tǒng)智慧，“他橫任他橫，明月照大江”，簡單來說就是“你打你的，我打我的”：中國只要在其他領域找到新的增長點，即可以在其他戰(zhàn)場上彌補損失。

因此，中國積極攻堅現(xiàn)時剛剛起步不久、競爭相對沒那么激烈、技術差距較少的第三代半導體或芯片。第三代半導體的應用范圍為新能源汽車、5G宏基站、光伏、風電、高鐵、自動駕駛和射頻器件，這些產業(yè)同時也是往清潔能源的經濟模式發(fā)展，未來潛力巨大，發(fā)展方向理想。

現(xiàn)時，新興科技產業(yè)的重要支柱為新能源汽車和光伏產業(yè)。根據(jù)中國海關總署統(tǒng)計，今年前7個月汽車出口額同比增長54.4%。上半年，光伏產業(yè)出口額同比增長113%。中國在第三代半導體的下游產業(yè)中已站穩(wěn)腳跟，未來準備加速發(fā)力。

這源自中國獨到的產業(yè)意識，既然第二代半導體存在巨大的政治及其他不確定性，那么不如另辟蹊徑，向第三代半導體進發(fā)，至少在其他能追趕上國際水平的領域先追上，并大量地擴大生產，盡量做到自給率越高越好。

隨著特斯拉在2020年采用第三代半導體器件，誕生20年的第三代半導體技術在近兩年來有越來越熱之勢。究竟什么是第三代半導體?其應用主要面向哪里?未來發(fā)展趨勢如何?

科聞社近期采訪了業(yè)內重量級人士Brian Xie先生。以下為采訪實錄：

科聞社：這兩年，第三代半導體的概念越來越熱，我們知道您所在的企業(yè)是第三代半導體領域的重要一員，能給我們普及下什么是第三代半導體嗎?

Brian Xie：第三代半導體一般指禁帶寬度大于2.2eV的半導體材料，也稱為寬禁帶半導體材料。半導體產業(yè)發(fā)展至今經歷了三個階段，第一代半導體材料以硅為代表;第二代半導體材料砷化鎵也已經廣泛應用;而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等寬禁帶為代表的第三代半導體材料，具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導率和熱導率，適合于在高溫、高壓、高功率和高頻領域的應用。事實上，第三代半導體實際是一種材料的創(chuàng)新。從產品創(chuàng)新來講，可以有技術路線的創(chuàng)新、同時還有材料創(chuàng)新、有設計創(chuàng)新、制造創(chuàng)新等。

科聞社：這屬于材料的創(chuàng)新，并不是我們所熟悉的類似手機產品的第一代第二代等，突出的是技術迭代。碳化硅材料具體有什么優(yōu)勢呢?

Brian Xie：對的，我們說的第三代半導體實際上是對材料的創(chuàng)新。如前所言，第三代半導體相對于之前的硅基材料，有它本身材料上的優(yōu)勢，但是在器件設計上面，其實它還是沿用了我們硅基產品的設計方法。比如我們說的碳化硅肖特基二極管，它在碳化硅的襯底上面使用了傳統(tǒng)的肖特基結構，能夠充分發(fā)揮出肖特基開關速度快，反向恢復損耗低的特點，同時又能突破了傳統(tǒng)肖特基一般只能做到200V的耐壓性能，能夠使用在650V，1200V甚至更高的電壓應用場景。

科聞社：目前，第三代半導體的應用如何?或者說在半導體市場中占有比例?

Brian Xie：就市場而言，我們預估，五年后，整個半導體，硅基還是主流，占整個市場里80%以上，碳化硅可能也就是20%。硅基，發(fā)展了五六十年的歷程，它的物理特性被充分地掌握了。另外，從經濟性上說，也是當前最為經濟的方案，成本上最可控。碳化硅是新材料，從2000年左右正式開始商業(yè)化，到最近五年，才開始大規(guī)模商用，成本上面，我們看到最近幾年有了明顯的降低，但是相對于硅材料，其價格還是要高出不少。

科聞社：成本的降低，是不是要取決于大規(guī)模的應用?第三代半導體的應用方向主要在哪里?

Brian Xie：當前硅器件用已經覆蓋我們生活的方方面面。第三代半導體比如碳化硅的主要需求會在汽車和新能源上面。在我們日常生活接觸比較多的消費電子這一塊，硅基產品以及經濟性和易用性，長期會占有主要的市場，碳化硅這類器件可能會用于一些高端的對效率要求比較高的家電。目前來說碳化硅和氮化鎵是應用最廣泛的第三代半導體材料，但我們也不排除其他材料會得到應用。碳化硅的產品也是在特斯拉開始批量商用后才逐步被市場認可的。

科聞社：可不可以預期第三代半導體在未來的工業(yè)或者新能源應用里面成為一個潮流呢?

Brian Xie：肯定是一個主要器件，但是沒有辦法取代所有硅的產品。還是回到硅的技術很穩(wěn)定，材料的可控性，經濟性方面，包括應用性都很穩(wěn)定上面。我們今天回頭看，我們企業(yè)的有些器件，開發(fā)了20年、30年的產品，今天還在銷售，而且銷量不錯。為什么客戶還在用?功率器件和手機應用處理器(AP)有一個最大的不同是產品的生命周期很長，AP可能每年都會有迭代來適應手機迭代和算力提升的需求，但是功率器件使用壽命非常長，一個生命周期二十年三十年的產品非常常見的，客戶也不會輕易去替換。只要保持穩(wěn)定的設計，不會去更換。這與蘋果手機每年都在迭代，CPU每一年都得更新，是兩個概念的。

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隨著快充技術的成熟徹底改變。

同樣的升級也正在新能源車領域上演。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、高鐵等領域有著很大應用潛力。

我國在第三代半導體領域與國際先進技術的差距較小，且新能源發(fā)展國際領先、有廣泛的第三代半導體應用市場，因此這一賽道也被普遍認為是中國在半導體領域“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”。

日前，英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區(qū)市場推廣總監(jiān)陳子穎先生和英飛凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)程文濤先生在媒體采訪中就第三代半導體技術價值、產業(yè)發(fā)展和技術趨勢進行了深入解讀。

進入后摩爾時代，一方面，人類社會追求以萬物互聯(lián)、人工智能、大數(shù)據(jù)、智慧城市、智能交通等技術提高生活質量，發(fā)展的步伐正在加速。另一方面，通過低碳生活改善全球氣候狀況也越來越成為大家的共識。

目前全球能源需求的三分之一左右是用電需求，能源需求的日益增長，化石燃料資源的日漸耗竭，以及氣候變化等問題，要求我們去尋找更智慧、更高效的能源生產、傳輸、配送、儲存和使用方式。

在整個能源轉換鏈中，第三代半導體技術的節(jié)能潛力可為實現(xiàn)長期的全球節(jié)能目標做出很大貢獻。除此之外，寬禁帶產品和解決方案有利于提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在交通、數(shù)據(jù)中心、智能樓宇、家電、個人電子設備等等極為廣泛的應用場景中為能效提升做出貢獻。

例如在電力電子系統(tǒng)應用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現(xiàn)，這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。而硅MOSFET主要應用在650V以下的中低功率領域。

除高速之外，碳化硅還具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點，尤其適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應用。

功率密度是器件技術價值的另一個重要方面。SiC MOSFET芯片面積比IGBT小很多，譬如100A/1200V的SiC MOSFET芯片大小大約是IGBT與續(xù)流二級管之和的五分之一。因此，在高功率密度和高速電機驅動應用中，SiC MOSFET的價值能夠得到很好的體現(xiàn)，其中包括650V SiC MOSFET。

在耐高壓方面，1200V以上高壓的SiC高速器件，可以通過提高系統(tǒng)的開關頻率來提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度。這里舉兩個例子：

電動汽車直流充電樁的功率單元，如果采用Si MOSFET，則需要兩級LLC串聯(lián)，電路復雜，而如果采用SiC MOSFET，單級LLC就可以實現(xiàn)，從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。

三相系統(tǒng)中的反激式電源，1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案，可以比1500V硅MOSFET損耗降低50%，提高效率2.5%。

在可靠性和質量保證方面，SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類型，英飛凌的溝槽柵SiC MOSFET能很好地規(guī)避平面柵的柵極氧化層可靠性問題，同時功率密度也更高。

正是由于SiC MOSFET這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機驅動和電動汽車等領域都有相應的應用。

然而，碳化硅是否會成為通吃一切應用的終極解決方案呢?

眾所周知，硅基功率半導體的代表——IGBT技術，在進一步提升性能方面遇到了一些困難。開關損耗與導通飽和壓降降低相互制約，降低損耗和提升效率的空間越來越小，于是業(yè)界開始希望SiC能夠成為顛覆性的技術。但是，這樣的看法這不是很全面。首先，以英飛凌為代表的硅基IGBT的技術也在進步，采用微溝槽技術的TRENCHSTOP?5，IGBT7是新的里程碑，伴隨著封裝技術的進步，IGBT器件的性能和功率密度越來越高。同時，針對不同的應用而開發(fā)的產品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高硅器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，進而提高系統(tǒng)性能和性價比。因此，第三代半導體的發(fā)展進程，必然是與硅器件相伴而行，在技術發(fā)展的同時，還有針對不同應用的大規(guī)模商業(yè)化價值因素的考量，期望第三代器件很快在所有應用場景中替代硅器件是不現(xiàn)實的。