身處半導體賽道的行業巨頭們，早就按捺不住內心的渴望，開始向“碳中和”市場進軍。以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體（第三代半導體）成為市場聚焦的新賽道。
碳化硅作為第三代寬禁帶半導體材料，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和漂移速度以及更高的抗輻射能力，是制造高溫、高頻、大功率半導體器件的理想材料，是未來半導體產業發展的重要方向，將成為支撐5G網絡建設、新能源汽車及充電樁、特高壓輸變電及軌道交通等"新基建"的關鍵核心材料。
SiC器件相比Si器件可降低50%以上的能量損失，并減小75%以上的裝備體積，是助力社會節能減排并實現“碳中和”目標的重要發展方向。以效率優勢帶來節能優勢，是SiC貢獻碳中和的著力點。
根據TrendForce集邦咨詢預估，全球SiC功率市場規模將從2020年的6.8億美元增長至2025年的33.9億美元，CAGR達38%。其中，新能源汽車（主驅逆變器/OBC車載充電器/DC-DC直流變壓器）將成為主要驅動力，或在2025年占據62%市場份額。
面對巨大的市場前景，SiC正成為全球半導體市場爭奪的焦點，國內外與SiC相關的技術、產品、市場、投資均呈現較高增長態勢。國際企業紛紛大力完善SiC的產業布局，強化競爭優勢以搶奪日漸增長的市場份額。當下，由于SiC的生產瓶頸尚未解決，原料晶柱的質量不穩定存在良率問題、SiC器件的成本過高等因素，SiC整體市場無法大規模普及，SiC仍然面臨巨大的產能缺口。而面對日益旺盛的下游需求，國產替代的機遇也正在顯現。
SiC發展進入快車道
半導體產業的發展歷程，其先后經歷了以硅(Si)為代表的第一代半導體材料，以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導體材料，在20世紀，這兩代半導體材料為工業進步、社會發展做出了巨大貢獻。而如今，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體雖處于初期階段，但是市場已經顯示出了巨大的需求。
在Si材料已經接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。從SiC被發現以來，關于其研究就一直沒有停止過。
由于SiC是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，世界各國對其研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力財力積極發展，美國、歐洲、日本等從國家層面上制定了相應的研究規劃。
美國：2014年1月，時任美國總統的奧巴馬親自主導成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產業聯盟。這一舉措的背后，是美國對以SiC半導體為代表的第三代寬禁帶半導體產業的強力支持。
歐洲：德國英飛凌公司與歐洲17家企業共同成立SmartPM（SmartPowerManagement）組織，拓展碳化硅在電源和電器設備中的應用。歐洲納米科技咨詢委員會（ENIAC）的“高效率電動汽車計劃”則專注于碳化硅功率器件在新型電動汽車中的應用技術研發，由英飛凌公司主導。
日本：日本政府早在2013年就已將SiC納入“首相戰略”，認為未來50%的節能要通過它來實現，創造清潔能源的新時代。日本經濟產業省積極開展碳化硅的研發及生產，促進碳化硅在通訊電源、混合動力汽車、可再生能源變頻器、工業馬達驅動等領域的應用。
一些國際電子業巨頭也都投入巨資發展碳化硅半導體器件。目前，已經有很多廠商開始生產碳化硅器件，比如Wolfspeed（原科銳）、美高森美、英飛凌和羅姆等。
相對國外市場，我國開展SiC材料及器件方面的研究工作比較晚，在多方因素的推動下，中國SiC產業鏈已完成基本布局，取得了一定的成果，逐步縮小了與國外先進技術的差距，各個環節都涌現出幾家領先企業。
目前，國內SiC襯底生產企業包括天科合達、山東天岳、河北同光、北京世紀金光和中科節能等。在外延環節，我國相關企業主要有瀚天天成和東莞天域，世紀金光和Norstel也有SiC外延生產業務。另外，在器件、模組環節，我國生產企業主要包括泰科天潤、芯光潤澤、深圳基本、世紀金光和揚州國揚電子等SiC器件生產企業，以及中車時代電氣、斯達半導、華潤微、士蘭微和揚杰科技等傳統功率器件生產企業。
行業廠商大幅擴產SiC市場需求被快速打開
近日，英飛凌官網宣布，將投資超過20億歐元（合計約144億人民幣）擴大SiC和GaN半導體的產能，今年6月動工。據了解，英飛凌曾透露2022財年的投資將大幅提升至24億歐元，而如今超八成資金被用在了第三代半導體投資上，足見其對行業的高度看好。
此外，近期很多行業廠商紛紛加大了對SiC為代表的第三代半導體的投資力度。意法半導體2021年的資本支出達到約21億美元，其中14億美元將投入全球產能擴建，計劃到2024年將SiC晶圓產能提高到2017年的10倍，SiC營收將達到10億美元。安森美半導體表示今年要將SiC產能擴充4倍，2022財年第一季度，安森美預計資本支出約為1.5-1.7億美元，主要用于擴產12英寸硅產線產能。
羅姆提出要搶占全球30%SiC市場的目標，為了滿足日益擴大的SiC產品需求，羅姆相繼加大投資力度，在日本阿波羅筑后和宮崎新工廠將于2022年投入運營，計劃器件產能提高5倍以上。
韓國SKSiltron第三次對SiC業務進行擴產，預計到2024年將投資近10億元，負責后段工藝的生產，計劃于今年下半年開始量產。SKSiltron表示將在未來5年內，在美國將投資約38.42億人民幣，以擴大美國SiC晶圓生產規模。
從頭部SiC企業規劃在未來幾年投入巨資，擴充產能中，我們可以看到以SiC為代表的第三代半導體產業正在釋放出國際企業大力完善第三代半導體產業布局，強化競爭優勢以搶奪日漸增長的市場份額的信號。
資本市場以及行業廠商大幅擴產的背后，也反映著以SiC為代表的第三代半導體市場需求正在被快速打開。
SiC功率器件大幅提升能源轉換效率
功率器件是電力電子的“CPU”，是特高壓電網、高速列車、新能源汽車充電樁及工業變頻器和伺服器的核心芯片，也是各系統電源模塊的關鍵器件，起到變頻、變流和變壓作用。
SiC功率器件作為一種新型功率器件，在新能源汽車的應用中具有極大優勢。據悉，SiC材料具有耐高壓、耐高溫、高效率、高頻率、抗輻射等優異的物理和化學特性，能夠極大地提升現有能源的轉換效率。新能源汽車系統架構中涉及到功率半導體應用的組件包括三大部分：電機驅動器、車載充電器(OBC)/非車載充電樁和電源轉換系統(車載DC/DC)，SiC功率器件憑借其獨有的優勢在其中發揮著重要的作用。
在電機驅動領域，使用SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及開關頻率，通過降低開關損耗和簡化電路的熱處理系統來降低成本、重量、大小及功率逆變器的復雜性。有關資料顯示，在電機驅動器中采用SiC器件可明顯降低損耗。具體來說，當使用SiC器件時，SiCBJT構成的逆變器損耗降低了53%；當頻率升高時，損耗還可以進一步降低。據了解，開關頻率為15kHz時，SiCBJT逆變器的損耗會降低67%。
在車載充電器和非車載充電樁中使用SiC功率器件可提高電池充電器的工作頻率，實現充電系統的高效化、小型化，并提升充電系統的可靠性。據悉，充電模塊的工作環境具有高頻、高壓和高溫的特點，與Si基器件相比，SiC器件的特性更適合這樣的工作環境，因此SiC器件在充電模塊中大有可為。
在電源轉換系統中使用SiC功率器件可縮小電路的尺寸，降低重量，縮減無源器件的成本，在滿足冷卻系統的需求的同時大大降低整個系統的重量和體積。據了解，在電動汽車中，引擎部分需要冷卻系統保持其溫度在105℃，而功率變換器部分則要求冷卻系統使其溫度在70℃左右。為了使兩部分正常工作，必須采用兩套冷卻系統以滿足不同的需求，這無疑大大增加了電動汽車冷卻系統的體積。由于SiC功率器件的工作結溫已經達到361℃，因此在這種情況下采用SiC功率器件可以將引擎冷卻系統與功率變換器系統合二為一，大大減小功率變換器的體積。
多方勢力暗戰車用SiC國內企業跑步入場
公開資料顯示，碳化硅的禁帶寬度約為硅的3倍，導熱率為硅的4-5倍，擊穿電壓為硅的8倍，因此碳化硅特別適于制造高溫、高頻、抗輻射的大功率器件，材料的性能優勢體現得淋漓盡致。
據IMSResearch報告顯示，碳化硅功率器件2017年市場份額在3億美元左右，主要集中在光伏逆變器與電源領域。雖只占到功率器件市場的1.5%的規模，但近幾年的年復合增長率保持在30%以上。同時，在產品結構上也主要是以二極管為主，占到80%以上的份額，而隨著電動汽車作為主驅動力以及MOSFET器件的上量，有望在未來8年超20億美元。
特斯拉率先使用SiC逆變器，直接打開了碳化硅（SiC）在新能源汽車的預期空間。將硅（Si）基組件替換成碳化硅（SiC）能明顯地提升車輛的續航能力。根據Wolfspeed數據，在逆變器中使用SiC器件后，能減小整體的體積、重量和成本，在車輛續航上也有5-10%的提升。在特斯拉Model3搭載SiC逆變器后，傳統的汽車功率半導體廠商紛紛跟進對碳化硅（SiC）領域進行布局。
2021年，博世宣布開始大規模量產由SiC這一創新材料制成的功率半導體，并將持續擴大產能，旨在將產出提高至上億顆的水平。此前博世已經開始擴建羅伊特林根工廠的無塵車間，同時著手研發功率密度更高的第二代SiC芯片，預計將于2022年投入大規模量產。
東芝、羅姆半導體、富士電機等日本廠商也在積極增產車用SiC功率半導體。東芝被曝計劃在2023年將旗下姬路半導體工廠的SiC功率半導體產量擴增至2020年度的3倍，并于2025年進一步擴增至10倍。羅姆為更好地聚焦新能源汽車市場，2021年10月與正海集團共同宣布成立一家合資公司——海姆希科，以專注于SiC功率模塊的設計和制造。
而在國內，隨著新能源汽車的快速發展，也吸引了一批企業密集布局。根據工信部發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，2025年我國汽車銷量有望達到3000萬輛，其中新能源汽車占新車總銷量20%，新能源汽車銷量有望達到600萬輛。而中國科學院院士、中國電動車百人會副理事長歐陽明高表示，預計2022年新能源汽車的市場滲透率就將超過20%，達到500萬輛的規模，2025年進一步增長至700萬-1000萬輛。
這意味著中國有望成為SiC需求最大市場。據相關預測數據顯示，到2025年，新能源汽車和充電樁領域的SiC市場規模將達到17.78億美元，約占SiC總市場規模的七成左右。而中國得益于新能源汽車的快速發展，有望貢獻近半數的市場。
因此，比亞迪半導體、斯達半導、中車時代電氣、華潤微、三安光電、派恩杰等本土企業都在積極發力車用SiC，并在車用SiC領域取得一定突破。
三安光電已經在湖南建設了國內首條碳化硅全產業鏈生產線，涵蓋長晶、晶圓、外延、芯片、研發、封測環節，于今年6月正式點亮投產。據悉，下一步光伏、新能源和汽車的OBC、DC-DC、主驅都是其重點發力方向。
比亞迪基于在車規級功率半導體領域多年的研發，已經成功在漢EV上使用其自主研發的SiC模塊。到2023年，比亞迪計劃將在旗下所有電動車中用SiC功率半導體全面替代IGBT。利普思半導體的SiC產品也已于2021年下半年開始量產，將于2022年完成乘用車SiC模塊產品量產。派恩杰宣布SiCMOSFET產品在新能源汽車OBC應用驗證取得了重大突破，獲得了新能源汽車龍頭企業數千萬訂單，并已開始低調供貨，目前該公司正著力選址建造車用SiC模塊封裝產線。
下游需求旺盛國產替代迎機遇
受益于市場對碳化硅芯片的需求加大，第三代半導體已成為群雄逐鹿之地，不僅國際巨頭“跑馬圈地”，國內企業也不甘落后，紛紛布局碳化硅，擴張產能，試圖以國產替代爭奪市場份額。
2020年，華潤微正式向市場投放了第一代1200V和650V工業級碳化硅肖特基二極管功率器件產品系列，同時其6英寸商用碳化硅晶圓生產線正式量產。2021年，華潤微又宣布推出1200VSiCMOSFET新品，主要應用于新能源汽車OBC、充電樁、工業電源、光伏逆變、風力發電等領域。此外，公司SiC二極管產品已量產并產生銷售收入。
2021年，斯達半導募資35億元，其中六成資金投向了高壓特色工藝功率芯片和碳化硅芯片研發及產業化項目，預計項目達產后，將形成年產36萬片功率半導體芯片的生產能力。車規級碳化硅功率半導體廠商基本半導體發布公告稱，其位于無錫的汽車級碳化硅功率模塊制造基地正式通線運行，首批碳化硅模塊產品下線，并已通過國內頭部車企的選型和測試。此外，賽微電子、聞泰科技、三安光電、士蘭微、露笑科技、揚杰科技、亞光科技、聚燦光電，東尼電子等一眾知名上市公司亦在布局第三代半導體產業。
事實上，碳化硅市場目前已經形成了供不應求與國產替代的產業競爭格局，給國內碳化硅相關企業帶來了快速發展的良好機遇。2021年我國碳化硅投資相關項目幾十起，其中有十幾筆投資與碳化硅器件相關。
2021年7月18日，世紀金光項目與浙江省金華市金義新區正式簽約，該項目總投資35億元，將建設年產22萬片6-8英寸碳化硅芯片生產線，項目分三期完成建設，全部達產后可實現年產值約40億元。12月30日，鈞聯電子宣布，他們在合肥經開區舉行“車用800V多融合碳化硅動力域控制器項目”啟動儀式。項目總投資約10億元，主要從事基于碳化硅材料的多融合動力域控制器（包括MCU、OBC、DCDC、DCAC、PDU、智能控制軟件、車聯網等產品）的研發、銷售與服務。目前已完成第二代車用800V多融合碳化硅動力域控制器產品開發。
在行業賽道火熱、擴產擴能延續之際，以碳化硅等材料為代表的第三代半導體已經吸引了大中小企業以及各路資本的投資布局，后續預期仍將有更多企業及資本入場。
國產碳化硅功率器件制造和應用企業——泰科天潤完成D輪融資，融資金額未披露。自2011年成立以來，該公司獲得某國際半導體大廠和元禾重元的聯合助力，投資方眾多，包括遨問創投、TCL創投、瑞業資產、哇牛資本、辰途資本，新鼎資本、三峽資本等。
公開資料顯示，泰科天潤的主要產品為碳化硅芯片和碳化硅功率器件，本輪產業資本的加持將進一步貫通公司在碳化硅晶圓材料、器件批量化生產供貨、下游規模化應用的全產業鏈鏈條協同，為實現更為廣泛和更大規模的的市場應用提供核心支持。
此外，碳化硅功率器件設計及方案商——派恩杰也正在積極推進募資計劃。事實上，根據企查查信息，去年3月與9月，派恩杰已獲得Pre-A輪數千萬融資，投資方有創東方投資、天際資本、湖杉資本等，公司本次融資資金將用于更高電壓平臺功率器件產品的研發和全球市場的布局。
資本入局以碳化硅等材料為代表的第三代半導體賽道，一方面基于行業契合國家新基建戰略、碳中和目標；另一方面則源于其下游需求旺盛，國產替代機遇正在顯現。
國金證券認為，對于碳化硅行業而言，目前整體市場規模較小，2020年全球市場規模約6億美元，但是下游需求確定且巨大。根據IHSMarkit數據，受新能源汽車龐大需求的驅動以及電力設備等領域的帶動，預計到2027年碳化硅功率器件的市場規模將超過100億美元，2020-2027年復合增速近50%。目前制約行業發展的因素主要是成本高昂和性能可靠性。碳化硅行業一旦到達綜合器件成本趨近于硅基功率器件的“奇點時刻”，行業將迎來爆發性增長。
結語
盡管與國際巨頭仍有差距，但中國作為全球最大的半導體消費市場，在市場風口到來、產業火熱加碼布局等利好因素加持下，以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體產業正在進擊前行。
由于各行各業的性能要求和不斷變化的工業環境，目前已經使用的硅材料功能器件很難滿足5G基站、新能源及新能源汽車、高鐵等的需求。第三代碳化硅半導體材料已經成為“新寵”，而從這個變化來看，國產半導體有更多機會實現跨越式發展。
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