郭勇

從三元鋰電池到磷酸鐵鋰電池，作為新能源汽車領(lǐng)域的現(xiàn)象級(jí)品牌，特斯拉一舉一動(dòng)都會(huì)對(duì)行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。2018年，特斯拉捧紅了第三代半導(dǎo)體材料碳化硅，時(shí)隔4年，當(dāng)全產(chǎn)業(yè)鏈都在期盼碳化硅落地時(shí)，特斯拉卻拋出“計(jì)劃減少75%碳化硅晶體管用量”的“天雷”……

特斯拉虛晃一槍

“我們下一代平臺(tái)將減少75%的碳化硅?！笨偸兄党?000億美元的特斯拉，日前在投資者活動(dòng)日上的只字片語讓整個(gè)汽車和科技圈驚出一身冷汗。

2018年，特斯拉率先在Model3上應(yīng)用碳化硅，被視為碳化硅上車的風(fēng)向標(biāo)。據(jù)“GaN世界”的報(bào)道，按照這個(gè)估算若循序漸進(jìn)采用碳化硅后，平均2輛Tesla的純電動(dòng)車就需要一片6英寸碳化硅晶圓。而2021年時(shí)，全球碳化硅晶圓總年產(chǎn)能在40萬-60萬片，結(jié)合業(yè)內(nèi)良率平均約50%估算，2021年碳化硅晶圓全球有效產(chǎn)能僅20萬-30萬片，可特斯拉在2022年的全球銷量就超過了100萬輛，這意味著全球碳化硅晶圓總年產(chǎn)能如果不能出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)的話，單特斯拉一家的需求就無法滿足，更何況在特斯拉率先應(yīng)用碳化硅后，不少車企都表示也將跟進(jìn)。

2020年，比亞迪將自研的碳化硅MOS應(yīng)用在漢EV四驅(qū)版上，而2022年底，車企對(duì)碳化硅的追捧達(dá)到了一個(gè)小高潮——

2022年9月，小鵬汽車G9旗艦SUV正式上市，G9搭載800V高壓碳化硅平臺(tái)，主要賣點(diǎn)就是超級(jí)快充。

2022年9月，極氪智能旗下威睿電動(dòng)汽車技術(shù)有限公司正式發(fā)布了600kW超充技術(shù)，并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2022年11月，哪吒汽車發(fā)布“浩智戰(zhàn)略2025”，包括浩智超算、浩智電驅(qū)、浩智增程三大技術(shù)品牌。

車企本就是碳化硅的主要消費(fèi)市場(chǎng)，而根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)YoleDéveloppement資料顯示，許多車廠持續(xù)對(duì)基于碳化硅組件的主逆變器（Inverter）、車載充電單元（OBC）及DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)備搭載在未來推出的車款上。車用碳化硅組件市場(chǎng)將維持快速增長(zhǎng)的步伐，預(yù)計(jì)到2025年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)15億美元，2019-2025年間的復(fù)合年增率（CAGR）為38%。

面對(duì)如此極具潛力的市場(chǎng)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)紛紛布局。巨頭安森美（onsemi）以4.15億美元收購碳化硅制造商GTAdvancedTechnologies（GTAT）。此一交易將使安森美能更好地確保和增加碳化硅供應(yīng)，滿足市場(chǎng)對(duì)碳化硅方案快速增長(zhǎng)需求，包括EV、EV充電和能源基礎(chǔ)設(shè)施。英飛凌（Infineon）則是與日本晶圓制造商昭和電工簽訂供應(yīng)契約（兩年合約），供應(yīng)包括磊晶在內(nèi)的各種碳化硅材料，英飛凌可借此獲得更多基材，以滿足對(duì)碳化硅型產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求。同樣積極布局碳化硅的意法半導(dǎo)體（ST），則是宣布制造出首批8英寸（200mm）碳化硅晶圓，且首批8英寸碳化硅晶圓品質(zhì)十分優(yōu)良，對(duì)芯片良率和晶體位錯(cuò)誤之缺陷非常低。

然而，就在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈積極看好并大舉投入碳化硅產(chǎn)業(yè)時(shí)，特斯拉卻在前不久的投資者大會(huì)上拋出驚人消息——“在其下一代動(dòng)力平臺(tái)中，價(jià)格昂貴的碳化硅為關(guān)鍵部件。但特斯拉找到一種方式可以減少75%的碳化硅用量，同時(shí)不影響整車的性能和效率。”

特斯拉用量銳減，一石激起千層浪，全球碳化硅大廠股價(jià)應(yīng)聲大跌，碳化硅冉冉升起的“明日之星”身份開始受到質(zhì)疑，產(chǎn)業(yè)是否會(huì)被顛覆成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

難以撼動(dòng)的碳化硅大趨勢(shì)

“對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體，我想行業(yè)從技術(shù)、整體來看應(yīng)該是有共識(shí)的。”對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體市場(chǎng)前景，英飛凌科技高級(jí)副總裁、汽車電子事業(yè)部大中華區(qū)負(fù)責(zé)人曹彥飛對(duì)界面新聞?dòng)浾弑硎?，行業(yè)過去對(duì)汽車領(lǐng)域碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用已有兩三年，基本共識(shí)是硅器件目前在汽車中占有的份額仍非常大，中長(zhǎng)期來看仍然非?？春谩?/p>

碳化硅、氮化鎵等被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度（帶隙）指的就是能使價(jià)電子脫離束縛的最小能量，是半導(dǎo)體的一個(gè)重要參量。和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，更寬的帶隙允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓與更快的開關(guān)頻率下運(yùn)行。

事實(shí)上，碳化硅一直被譽(yù)為“第三代半導(dǎo)體之星”，在禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速率等指標(biāo)上具有顯著優(yōu)勢(shì)，可滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風(fēng)電、5G通信等。

而在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅尤其符合電動(dòng)汽車快充需求。目前電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程已經(jīng)普遍達(dá)到500公里以上，基本可以解決大部分人的出行需求，但充電補(bǔ)能問題仍是新能源汽車普及的最大阻礙。這兩年，車廠集體將目光投向800V高壓快充。目前，電動(dòng)汽車快充主流產(chǎn)品，即傳統(tǒng)硅基IGBT功率器件，正在逼近材料特性極限，而下一代半導(dǎo)體材料碳化硅是更好的材料，尤其是800V以上高壓時(shí)，性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

800V高壓系統(tǒng)通常指整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達(dá)到550～930V的系統(tǒng)，相較于600V平臺(tái)，在同等充電功率下，工作電流更小，節(jié)省線束體積，降低電路內(nèi)阻損耗，提高充電效率和安全率；在同等電流的情況下，800V平臺(tái)可大幅提升總功率，顯著提高充電速度，已成為快速直流電充電的新解決方案。對(duì)于直流快速充電樁來說，充電電壓升級(jí)至800V會(huì)帶來充電樁中的碳化硅功率器件需求大增。與MOSFET/IGBT單管設(shè)計(jì)的15～30kW相比，碳化硅模塊可將充電模塊功率提高至60kW以上，且和硅基功率器件相比，碳化硅功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量，具有小體積優(yōu)勢(shì)。

據(jù)CASAResearch數(shù)據(jù)，2020年碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率為10%，隨著光伏電壓等級(jí)的提升，碳化硅功率器件的滲透率將不斷提高，預(yù)計(jì)2048年將達(dá)到85%的滲透率。

除新能源汽車領(lǐng)域需求巨大外，半絕緣型碳化硅器件同樣是“5G時(shí)代的強(qiáng)大心臟”。5G通信基站應(yīng)用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，對(duì)微波射頻器件提出了更高要求，而半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件在高頻段的優(yōu)異表現(xiàn)使其成為5G時(shí)代基站應(yīng)用的候選技術(shù)。

據(jù)YoleDevelopment預(yù)測(cè)，2025年全球射頻器件市場(chǎng)將超過250億美元，功率在3W以上的射頻器件市場(chǎng)中，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場(chǎng)約50%的份額。

從終端消費(fèi)市場(chǎng)技術(shù)更迭和需求變化來看，即便特斯拉下一代驅(qū)動(dòng)單元將減少75%碳化硅消息會(huì)對(duì)整個(gè)行業(yè)造成一定沖擊，但這個(gè)沖擊畢竟是短期的，第三代半導(dǎo)體對(duì)新能源汽車、工業(yè)及通信等科技產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義重大，世界各個(gè)國家和地區(qū)均在努力推進(jìn)相關(guān)發(fā)展工作。

碳化硅背后的第三代半導(dǎo)體之爭(zhēng)

當(dāng)前制約碳化硅器件大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素在于高成本，碳化硅襯底制造難度大、良率低為主要原因。全球碳化硅市場(chǎng)呈美國、歐洲、日本三足鼎立的格局。得益于先發(fā)優(yōu)勢(shì)，全球碳化硅襯底市場(chǎng)被美、日、歐等企業(yè)所主導(dǎo)，其中技術(shù)領(lǐng)先、市場(chǎng)占有率高的有Wolfspeed（原CREE）、II-VI（貳陸）、碳化硅rystal（ROHM）等，上述三家公司全球市場(chǎng)占有率總和超過90%，其中Wolfspeed一家獨(dú)大，襯底市占率超過60%，國內(nèi)龍頭企業(yè)僅天科合達(dá)和天岳先進(jìn)占據(jù)少量全球碳化硅襯底市場(chǎng)份額。從碳化硅器件市場(chǎng)上看，STM（意法半導(dǎo)體）與Infineon（英飛凌）占據(jù)超過50%的全球碳化硅功率器件市場(chǎng)份額。

而我國在碳化硅領(lǐng)域起步較晚，當(dāng)前國內(nèi)廠商在碳化硅襯底產(chǎn)品上與國外龍頭仍存在一定差距。國內(nèi)主要以4英寸碳化硅襯底為主，僅少數(shù)企業(yè)如天岳先進(jìn)、露笑科技等實(shí)現(xiàn)6英寸襯底的銷售，而多家國際一線廠商已實(shí)現(xiàn)6英寸碳化硅襯底的穩(wěn)定供應(yīng)，Wolfspeed、英飛凌和羅姆等正積極布局8英寸碳化硅襯底生產(chǎn)線，量產(chǎn)指日可待。

除企業(yè)間的技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)外，各國為爭(zhēng)奪第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域話語權(quán)，也拋出了各種計(jì)劃，如歐洲的SPEED計(jì)劃、MANGA計(jì)劃，美國的SWITCHES計(jì)劃、NEXT計(jì)劃，日本的新一代功率電子項(xiàng)目等，均意在通過政府資助、企業(yè)加強(qiáng)投資等方式推動(dòng)新一代化合物半導(dǎo)體落地。

不過早在2016年，中國“十三五”規(guī)劃中就將碳化硅列入重點(diǎn)項(xiàng)目，隨后科技部、發(fā)改委等四部門又將碳化硅襯底技術(shù)列入重點(diǎn)突破領(lǐng)域。同時(shí)，中國亦在大力推動(dòng)碳化硅行業(yè)發(fā)展，國資不斷支持國內(nèi)廠商立項(xiàng)融資。而產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)也積極“抱團(tuán)”合作，共同推動(dòng)我國碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如在碳化硅領(lǐng)域出手最頻繁的車企當(dāng)數(shù)比亞迪。2022年至今，其與上汽集團(tuán)共同投資了瞻芯電子、天域半導(dǎo)體，并加碼了邑文電子C+輪融資；小鵬汽車與旗下風(fēng)投平臺(tái)星航資本戰(zhàn)略投資了瞻芯電子；廣汽資本加碼了基本半導(dǎo)體；吉利控股與博原資本投資了芯聚能半導(dǎo)體；寧德時(shí)代也對(duì)碳化硅有所布局，其于去年6月投資了碳化硅襯底企業(yè)重投天科；半導(dǎo)體龍頭韋豪創(chuàng)芯則投資了碳化硅功率器件領(lǐng)域的青禾晶元。

在眾多企業(yè)的努力下，我國碳化硅產(chǎn)業(yè)同國際巨頭的差距正在逐步縮小。科友半導(dǎo)體于2022年10月在6英寸碳化硅晶體厚度上實(shí)現(xiàn)40毫米的突破，后又在12月份宣布，通過自主設(shè)計(jì)制造的電阻長(zhǎng)晶爐產(chǎn)出直徑超過8英寸的碳化硅單晶。晶盛機(jī)電在2022年8月宣布首顆N型SiC晶體成功出爐，預(yù)計(jì)2023年第二季度將實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。中國本是全球功率半導(dǎo)體最大的市場(chǎng)，占據(jù)了40%以上的世界市場(chǎng)份額。在下一代功率器件賽道，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)有望快速趕超。