作者:郑瑞庭 来源:中国科学报 发布时间:2022/8/13 10:12:46
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第三代半导体投资:碳化硅如何引领“芯”浪潮?

 

半导体作为众多高新产业的关键核心材料,近年来正成为市场聚焦的新赛道。据不完全统计,2022年上半年中国半导体行业共有180余起投融资事件,其中第三代半导体作为全新半导体材料受到高度关注。在半导体行业中找准差异优势,掌握关键技术,对于促进产业智能升级和支撑经济社会发展具有重要意义。

缘何成为热点赛道?

半导体材料作为产业发展的基础经历了数代更迭。每一种半导体材料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的,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。

云启资本的调研发现,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,SiC功率器件替代Si基功率器件,可以有效降低能量损耗,大幅降低器件尺寸。

当前,特斯拉已率先在Model3上使用碳化硅MOSFET(金氧半场效晶体管)作为其马达逆变器解决方案,以取代传统硅基IGBT(绝缘栅双极型晶体管),器件体积缩小到原来的1/10,同时使逆变器效率从Model S的82%提升到90%。2021年,特斯拉创纪录的出货量帮助碳化硅设备实现了10亿美元的订单。

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通讯、可再生能源等领域扮演的重要作用,有利于节能减排,该产业的发展有望解决“卡脖子”问题,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。第三代半导体被赋予带动传统产业改造和产品升级换代,进一步促进国民经济持续、快速、健康发展的重要战略意义。北京、上海、广东、湖南、山东等国内主要省市均出台了相关政策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”期间有望成为国内第三代半导体产业大步发展的时代。

未来具有高成长性

云启资本的研究发现,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,以AI、5G、IoT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%,而国产化率却不足五分之一,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而道远,这也蕴含了巨大投资创业机会。

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,SiC器件市场将从2021年的10亿美元业务增长到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SiC产业链都处于早期,国内企业与国外龙头企业的差距与第一代、第二代半导体产业相比较小,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,覆盖了从上游材料的制备(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,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进步发展,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期间的可靠性。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。

想要解决“卡脖子”困境,关键取决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。

2022年6月,云启资本投资宽能半导体的天使轮,正是看好其作为全球领先6英寸SiC晶圆代工厂的专业实力。宽能专精SiC MOSFET器件代工,并具备标准的碳化硅工艺及设计平台,协助目标客户迅速导入量产,产品应用于电动汽车、充电桩、光伏微型逆变器等领域。

云启资本的宽能团队曾主导全球顶尖的SIC代工企业产业化落地,完整参与从工艺设计、设备选型到高良率量产、规模出货的全过程,积累了丰富经验并具备持续迭代能力。我们看好其在国内建立具备全球竞争力的SIC器件量产产线,快速形成高良率、高品质、全系列代工能力,助力国内碳化硅行业高速发展。

芯片半导体,无疑是个研发成本高、耗时周期长、人才普遍稀缺的高技术性产业。作为长期深耕科技和产业的早期投资机构,沿着支持科技产业自主创新的思路,云启资本在半导体设备、芯片设计等领域布局了芯行纪、普莱信智能、印芯科技、青禾晶元、蓝洋智能、芯空微电子、九同方等优秀公司。

我们相信,科技创新和产业落地的结合,将进一步加速半导体行业材料与核心技术瓶颈的突破,国内碳化硅行业将得到更快速的发展。

(作者单位:云启资本)

 
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