第三代半导体产业周贞宏博士

时间：2021年6月20日

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电动汽车带动第三代半导体行业景气度上升：有消息称国家刘鹤副总理称要投入一千亿

美元进入第三代半导体赛道，体现国家对第三代半导体行业的重视度。碳中和是未来到

2026年的长期趋势，主要带动清洁发电、新能源汽车等领域快速增长，其中比较大的

行业趋势是汽车电动化，是几百万亿级的投资市场。目前电动汽车行业刚刚起步，预计

到2045年成长到饱和期。除了电动汽车，还有充电桩带动半导体行业景气度上升，主

要原因是电池续航能力提升要求充电桩功率增大，充电大功率、大电流需求是第三代半

导体的优势。

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芯片缺货、功率器件占比等因素催生第三代半导体投资机会：关于最近芯片缺货情况，

政府最担心的是汽车芯片，去年芯片缺货造成多家厂商停工，影响全球万亿级汽车产业

链，迫使欧洲、美国政府出面协调产能。这种背景下，未来车厂可能跳过tier1直接切

入半导体，形成车厂与半导体厂商直接联系是确定性趋势。电动汽车迫使车厂颠覆核心

的燃油发动机，转向电机，且需要碳化硅驱动。未来车厂会失去发电机的优势，必须形

成自身半导体或电池优势。这些因素形成了半导体的投资机会，各国对半导体加大投入。

传统汽车功率器件只占21%，电动汽车功率器件占比55%。而未来碳化硅和氮化镓会

在功率器件里市场占有率比较大。

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市场格局和市场空间：目前市场对第三代半导体已经有关注，但没有无人驾驶、AI、激

光雷达等领域投入规模大。硅基功率器件主要是欧洲、美国、日本等海外公司主导且领

先。英飞凌每年有35亿美元的收入，市场占有率第一。现在安森美、意法等公司也在

做碳化硅的研究。目前十几家公司中只有一家并购的安世半导体是中国公司，其他都是国外公司。再往下，比亚迪分拆的微电子，上市公司斯达半导，中车等具备硅基IGBT

的产品和技术。但是目前硅基方面国内外差距巨大。未来考虑到电动汽车对半导体需求，

会有远超26%的复合增长率，仅Cree对碳化硅的需求在2024即达50亿美元。

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定义第三代半导体及追溯历史：第一代硅、锗，第二代砷化镓、磷化铟（应用于射频、

通讯），第三代碳化硅、氮化镓、氧化锌，目前碳化硅和氮化镓比较成熟。第三代半导

体是化合物半导体，由多种元素化合而成，通常在光电、射频、功率器件应用场景上具

有绝对优势，其中光电和射频以第二代为主，功率器件以硅基为主，未来功率器件赛道

上第三代半导体有最大的爆发空间。主要是因为随着功率的增加，碳化硅有绝对优势，

碳化硅、氮化镓带宽够宽，能够承受更大的电压、电流，导热、散热也有优势，另外高

频下提高能源密度以此减小减轻电源体机重量并且提高能效可以解决第三代半导体开

关损耗略高的问题。碳化硅已经有近三十年历史，英特尔1992年开始研发，但到2017

年，碳化硅产业也只是起步阶段，Cree具有第三代半导体全产业链特别是材料的全球

龙头和垄断地位，占据62%的市场，但碳化硅器件只有8千万美元，英飞凌35亿功

率器件中只有5千万属于碳化硅。碳化硅的真正爆发是到2018年，主要源于特斯拉的

使用，自此1/3的车厂决定要用碳化硅，到目前80-90%车厂要用碳化硅。Cree因此

决定投资10个亿建设纽约新生产线，并且扩产三十倍旧生产基地，以此解决产能不足

问题。

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碳化硅爆发力来自电动汽车：2018年全球碳化硅市场只有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。2017年有车型用碳化硅，2018年

斯拉Model3用上，19年ModelX，后面20年比亚迪汉EV等电动汽车陆续使用碳

化硅。全球每年生产1亿辆车，中国占据30%，也是全球最大的汽车消费车厂。中国

2015年开始就大量生产电动汽车，在电池方面中国与日韩一起领先全球。电动汽车一半的产能和市场在国内，相比传统燃油汽车较领先。而欧洲在两年前才开始大量生产电

动汽车，欧洲要到2025年才能追赶上中国的量。电动汽车催生出的许多功率器件需求

中，碳化硅是很大的机会。碳化硅可以是实现快充需要高千瓦数的需求，产生竞争优势。

但目前碳化硅在功率器件占比较小，不到5%，但后续会增长很快，到23年超过10%。

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碳化硅应用及产业链机会：电动汽车是最大的应用机会，但应用不止于电动汽车，太阳

能、风电、轨道交通，最近深圳和日本新干线开始大量使用碳化硅。目前已带来全产业

链的投资机会，从粉末材料到碳化硅晶体，到工艺、外沿、外延、制造、模块、封装，

类似硅基在80年代的情况。目前国内碳化硅量产只能做到4寸，在全球量产最大的是

150mm尺寸。

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工艺设备要求不高：碳化硅不需要先进设备，工艺上用二十年前的旧设备就可以完成产

业需求，因此国内在第三代半导体上有超车机会，非常值得投入。

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材料成本是行业瓶颈：碳化硅材料生长难度大。硅基一个晶棒12寸可拉几米高，切除

很多片，而碳化硅目前量产才6寸，一个多周才能长出2~3厘米，只能切出十几二十

片。而且温度很高，在2500℃下保持稳定性、均匀性、热场一周以上不变才能长出3

厘米，要求极高，因此成本很高。所以目前材料是行业瓶颈，材料领域有四家海外公司

占据90%市场，其中Cree占据60-70%，其他还有Ⅱ-Ⅵ、ShowaDenko、Dow等。

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设计方面：目前以IDM为主，意法、英飞凌、安森美、罗姆占据主要市场。

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国内近年开始爆发：16年以前没有人投资，在中国两三年突然爆发。海外2018年兴

起，国内2019年开始火爆。2019年9月份华为哈勃投资山东天岳10个亿，到去年

估值已经超过100亿，现在超过200亿，已提交IPO。所以第三代半导体未来发展空

间很大。另外国内龙头还有天科合达，北京中科院物理所科学家创立。国内材料占全球

5%-10%，值得扩大产能。国内18年2个项目，19年12个，20年18个，投资从50亿到200亿到465亿，产业吸引巨大资金和资源，未来可能有公司成为世界级功率

器件公司。

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碳化硅未来增量和存量市场上都会有爆发：目前市场占有率前五都是海外公司，如ST、

Cree、罗姆、安森美等。一方面电动汽车的高速增长催化碳化硅需求，另一方面降低

碳化硅材料成本后，碳化硅会吞噬硅基市场，包括太阳能、风能、电网、高铁、数据中

心、家电等领域应用。

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氮化镓：刚刚爆发，蛰伏多年依然是10亿以内的市场体量，但去年小米推出65瓦氮

化镓快充带动氮化镓上量后，手机快充发展速度很快。氮化镓相对碳化硅价格更低，爆

发力很大，在稍低功率中有可能性，未来无线充电、激光雷达供电都有可能应用。市场

规模从2020年4600万美元，预测到2026年超过11个亿。目前的预测偏保守，因

为半导体产业一旦爆发爆发力会非常大。

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投资建议：目前适合投资材料和设计初创公司。国内不缺钱和市场，需要技术和人才。

对于半导体行业来说，拆解核心技术团队不合理，需要抱团取暖模式。之前安芯主要通

过投资并购海外拥有多年技术沉淀积累但没有规模生产和市场能力的海外公司，将其落

地嫁接到中国，去进行规模生产，发挥其价值，这是一个不错的投资途径。应对监管上，

海外初创团队控股，中资引入，会符合监管要求。

Q&A

Q：碳化硅虽然性能好，但普及的话最大的问题是成本吗？这样的话廉价大众型电动车是否

使用有困难？

A：成本方面，单纯从单个器件来讲，碳化硅是IGBT3倍的价钱。但是在系统层面，充电

桩因为用了碳化硅，把体积缩小、能效提高，在散热的结构件、金属件、腔体等上面都省了很多钱。Cree等公司做了评估，在系统层面用碳化硅是省钱的，同种条件下，用碳化硅可

以使同一块电池增加10-15%的续航能力，汽车性能得到提高，可以用小一点的电池提供同

样大的动力。这种情况下，车企在碳化硅上多花的钱是少于节约的成本的。

Q：既然老设备可以实现，那良率低的原因是什么？主要是长晶的一些技术问题还是别的因

素？（设备要求低但经验要求高？）

A：整个产业处在初期阶段，包括Cree在内的跨国公司，对碳化硅的设备、工艺等的

knowhow都非常严格地保密，因为这些是他们的核心竞争力，基本上都是“黑匣子”，技

术人员的开发环境都非常封闭，不对外公开，这是比较难学习的一点。从材料到设备的控制，

很多都是凭经验去摸索，我们在收购Norstel后也是经过两年时间的不断试错才让产出从4

寸长到6寸，同时提高材料的质量和成品率，没有捷径。Norstel到现在已经做了20年，

在这方面一直深耕。如果有国内公司很轻易地就说有6寸的晶片，可以问他你的种晶来源

于哪里，如果用其他公司的种晶是涉及到知识产权问题的，别家种晶的固有缺陷在你这里也

一定会体现出来。这也是为什么国内衬底材料方面两家做的比较大的公司，山东天岳和天科

合达能做好的原因。天科合达是北京的，是中科院物理所出来做的，已经有10多年了。山

东天岳是基于山东大学一个院士毕生的基础上做出来的。科学家们都经过了很多年的积累，

熬过几十年才等到产业的爆发。在这个产业，无论是去挖人还是模仿，都是十分困难的。必

须要不断地烧钱，要有足够好的想法和坚定的投资人才能做好。

Q:碳化硅量产的良率和成本还不是很理想，理想状态下拿6寸的碳化硅成品举例，成本大

概能降到多少美元？

A：前几年还在1000美元以上，现在已经低于1000美元了，降本空间还比较大，几年后通过大规模量产可能降到500美元以下。包括Cree在内的公司做了很多投入在降本上，上

次我通过CreeCEO的投资会议知道，之前他们扩产能的频率不稳定，每批次的数量不一样，

每台机器都有各自的特性，用的器件都不一样。现在改进之后一次性扩了几百台设备，一致

性做到了非常好，现在一台上做了改进，在其他机器上都可以很快应用，这也促进了成本的

降低和良品率的提高。以前是像研发的做法，现在是通过大规模生产来推广。现在国内厂商

也在快速地扩大产能，但这其实是机会和风险共存的，在没有定义有竞争力工艺的时候，拿

LED来举例，如果大规模上可能会很惨，因为新的东西出来了你就过时了，自己做可能还

不如买的便宜，最后就只能停机。矛盾在于，如果不扩张，工艺很难大规模量产；如果扩得

太快，技术工艺可能面临过时的风险。

Q：了解到行业里有种新工艺叫熔体法，生产速度可以快不少，也可以让质量和成品率提高，

您如何看待它的前景？

A：任何一个好的想法都有试错的机会，目前全球主流的方法有三种，包括PVP粉末蒸发

（可量产）、Norstel的工艺CVD等，熔体法我看到有日本和国内的团队都在提出和使用，

我认为非常值得去做，做成功了会有很大的价值。之前德国的一个团队提出了一个激光切割

的想法，他们证明了可行性，申请了专利。在当时，离大规模生产还很远，我们没有投资，

但现在被英飞凌收购了。我认为你只要把你的想法验证了，就有巨大的价值产生。

Q：三安把Norstel买过来，在2019年又把股份卖给了意法，想了解一下具体情况

A：其实这个交易是我们做的，整个买卖都是安芯基金操作的，三安只是LP，细节不多赘

述了。实际情况是一开始卖了一部分留了一部分，在19年底全部卖给意法了，里面有一些

故事，有时间可以私下里细说。从意法的角度看，他的核心诉求不是做材料，是做器件，他希望把整个碳化硅的市场做大，去快速抢夺硅基的市场。意法是特斯拉的一供，但IGBT在

全球排第五，他们希望通过碳化硅弯道超车，跟IGBT业内的领头羊竞争，因此在这方面投

资得非常激进。

Q：请问国内目前碳化硅项目投资较热，各厂商也都投了很大的capex，我们应该如何去判

断哪些项目能大概率成功，是看技术团队的来源，还是是否有对于长晶设备的knowhow？

以及未来是否只有一体化，打通衬底到器件设计的企业才能成功，仅有器件设计能力的企业

什么时候会面临压力？

A：所有的创业团队背景从募资材料上来看都非常亮眼，看不出实际水平。我认为看项目有

两个方面：一方面是怎么解决种晶的问题，回答种晶从哪来，就像种一棵树需要好的种子，

非法获取种子来做肯定会存在很大的瑕疵；第二是实操层面，把长出的衬底产品给未来的客

户，即国内的生产团队去用，看能不能做出产品，成本是不是有竞争力。如果只是你自己说

行，那是无法判断的，必须你的直接客户愿意给你下订单，这是最终极的判断。

Q：请问您觉得观测到哪些指标，或者说看到什么信号可以确认汽车全面拥抱碳化硅的时代

到来了。比如车载电压平台升至多少伏，碳化硅成本降到IGBT的多少等。以及汽车三电和

其他零部件哪里会最先完成碳化硅的全面渗透，哪一块碳化硅渗透起来会比较困难

A：碳化硅在高压方面有优势，现在只要车企用的是高压、650伏以上的电池，电压越大，

碳化硅的优势越明显；另一方面是车的续航能力，比如大巴，碳化硅有绝对优势。就家用车

而言，续航在300、500公里以上，碳化硅就有优势。电池越大，碳化硅越有优势。爆发的

话我认为会在2024年，这也是Cree的预测，目前美欧日还在大规模做研发，到2023-2025

年才会大规模上市。我认为碳化硅在电动车领域里存在绝对的优势，一定会成为主流。

Q：LED/射频/功率器件这种化合物半导体的工艺是不是都很相似，可以把LED和射频的

技术积累用到碳化硅上呢，设备和机台是不是也不需要太多替换呢？因为三安基本上就是这

个路径，想了解一下这几大业务的协同情况

A：碳化硅、氮化镓和LED相比，是完全不一样的功率和挑战。三安在2014年就已经开始

投入，聚集了很多精英投入了7年。做硅基氮化镓有一些LED的经验可以借鉴，但LED和

碳化硅差的很远。做碳化硅最基本的是需要一条半导体的生产线，现在只有做硅基的公司才

有生产的工艺和经验，比如中芯国际、华润微电子等，而这些经验做LED的公司则完全不

具备。三安属于特殊情况，有LED的支撑，同时在孵化半导体，有大基金在支持，还有全

球的团队经过六七年研发，到现在也才刚刚能进入量产。总而言之，从今天开始做，没有5、

6年是无法赶上三安的水平的。

Q：碳化硅会大量取代硅基器件吗，未来硅基IGBT等的市场会大幅度萎缩吗？

A：碳化硅有增量，也有存量。碳化硅抢占汽车IGBT市场后，整个IGBT市场也在扩张。

因为整个机器人、新能源等产业加上全球电动化的趋势，都需要更多的功率器件，整个市场

还在快速增长。未来十年可能整体器件市场平均每年有几个点的复合增长率，但在功率器件

整个市场至少有两位数的增长。功率器件包括开关、电机驱动等，只要有马达的都要用功率

器件，在这方面碳化硅的增长速度超过硅基市场增速，而硅基市场可能会不增长或者保持个

位数的增长，但真正碳化硅超过硅基市场至少需要20年。

Q：籽晶一般是怎么生产出来的呢，为什么成为一个门槛？

A：主要是时间问题。Cree等公司都是20年前，把籽晶从1寸到2寸到3寸，一点点扩

出来的。种碳化硅是一点点地扩，需要时间来慢慢量产，Norstel的价值也是在于此。当然也有一些办法可以合成，但目前市面上的领导者都是经过时间积累慢慢扩的。

总结：

目前虽然第三代半导体投资还有一些风险，但整个产业发展不受太多的技术限制，没有设备

的瓶颈。同时，对于大规模的硅基产线的投入需求还是比较小的，因此未来成长空间还是非

常大的，上市公司和初创公司都是有机会的。半导体仍然是以量取胜，聚焦龙头还是最稳妥

的投法。对风投来说，建议关注有较强研究基础和技术积累的团队。