第三代半导体碳化硅如何引领“芯”浪潮？

半导体缘何成为热点赛道？

半导体材料作为产业发展的基础历经数代更迭。每一种半导体材料的属性和应用领域各不相同，三代半导体之间并非替代关系。

目前，超90%的半导体产品仍以第一代半导体材料硅为衬底制成。但受限于材料自身物理特性，硅基功率器件难以满足新能源汽车及光伏逆变器等新兴应用对器件高功率、高频性能的需求。

第三代半导体指禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV）的半导体材料，常见的有碳化硅、氮化镓、金刚石、氧化锌、氮化铝等。其中，碳化硅和氮化镓技术发展相对成熟。以碳化硅为代表的第三代半导体逐步受到市场关注，并成为制作大功率高频器件的理想材料。

云启调研发现，我国已占据了全球半导体消费总量的35%，移动互联网、智能设备、新能源汽车、5G等新技术、新产品高速发展的背后，是需求旺盛的新兴半导体应用市场。

数据显示，全球碳化硅市场2018年只有4亿美元，到2024年有望达到50亿美元，其中巨大爆发力来自于电动汽车。在新能源汽车上，碳化硅功率器件替代硅基功率器件，可以有效降低能量损耗，大幅降低器件尺寸。

根据半导体分析机构Yole预测，到2025年新能源汽车将是碳化硅功率器件最主要的应用。

在光伏发电系统中，使用碳化硅MOSFET（金氧半场效晶体管）功率模块的光伏逆变器，转换效率可提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，从而推动发电系统在体积、寿命及成本上实现重要突破。不难发现，第三代半导体材料适合诸多场景的使用，并且这些场景在中国都拥有巨大市场。

除广阔的下游应用领域和场景对碳化硅产业发展的驱动作用，国内政策因素也为其发展提供有利环境。碳中和、碳达峰政策目标使得以技术创新引领低碳发展成为大势所趋，也成为2020年以来资本市场最活跃的投资主题之一。第三代半导体具备耐高温、耐高压、高频率、大功率的特性，在新能源车、5G通信、可再生能源等领域扮演重要角色，有望解决“卡脖子”问题，因而受到国家重视。

“十四五”规划明确提出，要大力发展碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体产业。北京、上海、广东、湖南、山东等国内主要省市均出台了支持碳化硅等第三代半导体产业发展的配套政策。在政策大力支持下，“十四五”期间有望进入国内第三代半导体产业大步发展的时代。

半导体行业未来具有高成长性

云启研究发现，从投资主线来看，我国半导体行业投资主要集中在以高端芯片、材料和设备为代表的“卡脖子”领域，如以人工智能、5G、物联网为代表的新技术和新应用，以及以车载计算芯片、功率半导体和传感器芯片为代表的汽车半导体。

以半导体设备和材料为例，作为半导体行业的上游支撑赛道，该市场占比达25%，而国产化率却不足1/5，国家也为此推出了相应政策进行重点支持。目前该领域的整体国产化提升仍任重道远，但也蕴含了巨大的投资创业机会。

碳化硅市场正迎来良好的发展前景。Yole的最新预测显示，到2027年，碳化硅器件市场将从2021年的10亿美元增长到60亿美元以上。

虽然在碳化硅产业全球整体格局中，美国、欧洲、日本依旧占据主导地位，但目前全球碳化硅产业链都处于早期阶段，国内企业与国外龙头企业的差距较小，具有较大的发展空间。

据不完全统计，截至2020年底，国内从事第三代半导体电力电子和微波射频的企业已从2018年的不到100家发展到超过170家，从上游材料的制备（衬底、外延），中游器件设计、制造、封测，到下游的应用，基本形成完整的产业链结构。

目前碳化硅行业广受资本市场青睐，产业链上下游的协同发展已成为必然趋势，投资方纷纷向上游拓展，扶持具有潜力的初创公司，后者以弥补国内空缺的方式成为新的突破口。

数据显示，2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元，预计2019~2022年将保持85%以上平均增长速度，到2022年市场规模将达到623.42亿元。整车、锂电、通信等领域的巨头也对碳化硅十分关注，纷纷入股相关初创公司。

关注“短板”，专精器件工艺

国内第三代半导体产业链快速发展，但依然存在明显的掣肘之处。是否能满足应用需求，重点在于能否依靠碳化硅衬底和MOSFET器件工艺提升碳化硅器件的可靠性。掌握核心技术，突破材料和工艺技术瓶颈，提升产品良率和性能，至关重要。

想要走出困境，关键在于在极致分工的产业链里找准差异优势，实现关键技术的自主可控。

芯片半导体是个研发成本高、耗时周期长、人才普遍稀缺的高技术性产业。随着科技创新和产业落地的结合，半导体行业材料与核心技术瓶颈将进一步加速突破。国内碳化硅行业将得到更快的发展。