第三代半导体投资五问丨嘉富研究
作者 倪彬斌 东方嘉富
高门槛、长周期的半导体行业,在国内原本不受资本青睐,但自从2018年中美贸易战点燃以后,如今投资界无人不谈半导体。A股半导体相关的上市公司股价大幅增长,PE大都高高在上;在2020年,我国共有32家半导体公司上市,这也是有史以来半导体上市数量最多的一年。国产替代的加速和二级市场狂热,又进一步刺激一级市场情绪,进而导致近年来半导体领域投资大幅增长。根据公开信息,2020年半导体行业股权投资案例达413起,投资金额超过1400亿元人民币,与2019年相比增长近4倍,其中C轮以后的投资占比超过了50%,表明大量的资金涌向了高估值的阶段。
那么在如此高景气的行业,作为投资机构,应该如何寻找半导体行业的投资机会呢?是继续追逐高估值的热门方向? 还是去寻找细分的有潜力的细分赛道?我们的答案是后者,所以今天我们想来初步讨论的是半导体行业中的第三代半导体,尤其是碳化硅相关的投资机会。
一问:何为第三代半导体?
半导体经过近百年的发展后,目前已经形成了三代半导体材料。这里的 "代际",是根据半导体制造材料来划分的,每一代半导体材料都有各自的应用场景,并不代表必然的取代或者优劣。
第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料,其技术最成熟,应用最为广泛,典型例子的为电脑及手机的处理器芯片;第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb),主要用在光电、微波功率器件等领域,典型例子的为生活中大家都会用到的各种光控开关;第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC) 、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料,主要用于光电子和功率器件、射频领域。
表1:三代半导体性能及应用场景比对
和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。第三代半导体中,最为重要的材料是碳化硅和氮化镓。碳化硅和氮化镓在材料性能上各有优劣,因此在应用领域上各有侧重和互补:碳化硅与氮化镓 相比,针对碳化硅材料的研究时间更长,相对技术成熟度更高,其在导热率上具备更多的优势,因此在高功率应用,比如高铁、输变电、新能源汽车以及工业控制等领域占据主要地位;氮化镓材料的优势在于拥有更高的电子迁移率,因此会比碳化硅和硅基有更高的开关速度,在高频率领域具备优势,例如微波射频以及数据中心等应用场景。
表2:Si、Sic、GaN定位比较
二问:为何我国重视第三代半导体?
在第一代和第二代半导体,尤其是在芯片领域,我国整体相较技术领先国家或地区落后至少二十年,但第三代半导体材料发展,目前我国与国际巨头公司差距约在5年左右,并不是很大。相比追赶传统材料的下游工艺制程,中国企业要想在半导体领域做到技术领先,显然发展第三代半导体更为明智。陈辰介绍,每更换一个新的材料,就需要重新围绕材料,发展相应的后道工艺和制程。近年来我国重视第三代半导体,加大在碳化硅和氮化镓相关研发投入,也是希望能借由这一路径,尽快缩小与其他国家差距,实现换道超车。
三问:碳化硅器件的优点是什么?
以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能,具体如下:
1、耐高压。碳化硅的击穿电场强度是硅的10余倍,使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。
2、耐高温。碳化硅相较硅拥有更高的热导率,使得器件散热更容易,极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升,同时降低对散热系统的要求,使终端可以更加轻量和小型化。
3、低能量损耗。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率,使得碳化硅器件具有极低的导通电阻,导通损耗低;碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度,使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少,从而降低功率损耗;碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,大幅提高实际应用的开关频率。
图1:同规格碳化硅器件与硅器件对比
由于具备上述优越性能,碳化硅器件可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,有着广泛的应用领域,从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一,碳化硅器件将是我国碳中和发展计划中的核心半导体产品之一。
四问:碳化硅发展有哪些驱动因素?
目前各类碳化硅器件成本仍比硅基器件高 2~8倍,使得之前的商业化应用受到一定的限制。但是,受近年来下游扩产及电动车需求逐步增加的影响,碳化硅器件成本年降幅达 36~46 %,逐步接近大规模商业化应用的拐点。
图2:碳化硅功率器件应用领域
根据 EV-volumes.com 的数据,2020 年,全球新能源汽车(包括纯电动和插电混动车型)总销量为 324 万辆,同比增长 43%。EV-volumes.com预计, 2021 年电动汽车的销量将继续增长,将达到 460 万辆左右。未来随着政策持续推动、技术进步、消费者习惯改变、配套设施普及等因素的影响不断深入,全球新能源汽车产业将面临前所未有的发展机遇。
近年来,我国非常重视新能源汽车行业的发展,成为引领世界汽车产业转型的重要力量。根据中汽协数据统计,2020 年新能源汽车产销分别完成 136.6万辆和 136.7 万辆,预计 2021 年新能源汽车销量将达到 180 万辆,同比增长40%。新能源汽车产业作为我国重点培育的战略性新兴产业之一,发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。
由于涉及到高低压转化、交流电和直流电切换,新能源汽车中的电控和电驱部件需要使用功率半导体,而目前绝大部分新能源汽车所搭载的功率半导体为硅基的IGBT(绝缘栅双极晶体管,是半导体器件的一种,主要用于电动车辆、铁路机车及动车组的交流电电动机的输出控制)。由于 SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。) 较硅基IGBT 方案比,可以有效的提升新能源汽车持续续航能力、空间利用等关键性指标,同时还可以减小电机控制器的体积。
图3:丰田展示电动车驱动模块对比
(左:碳化硅MOSFET,右:硅基IGBT)
研究显示,车载功率半导体使用碳化硅可使功率损耗较IGBT下降87%,结合功率半导体在整车中的功率损耗占比可计算得出:仅将IGBT替换为SiC MOSFET,就可提高10%的续航里程,即10%的电池成本节约。根据Cree 测算,采用碳化硅可节省5-10%的电池使用量,每辆车成本节约400-800 美元,价格只增加200 美元,每辆车净节省200-600 美元。2018 年特斯拉的Model 3主逆变器开始采用SiC MOSFET方案(特斯拉在Model 3 上使用24 个SiC MOSFET模块作为主驱逆变器的核心部件替代IGBT,SiC MOSFET使逆变器效率从Model S 的82%提升到Model 3 的90%),随后采埃孚、博世等多家零部件制造商以及比亚迪、雷诺等汽车生产商都宣布在其部分产品中采用SiC MOSFET方案。因此随着碳化硅技术的进步和方案的成熟,碳化硅芯片市场将随着新能源汽车市场的快速增长而迅速发展。
根据咨询公司Yole的相关调研报告,碳化硅功率半导体器件市场规模从2018 年的4.3 亿美元上升至2020 年的6.8 亿美元。预计在2025 年整体市场规模将达到32 亿美元左右,年均复合增长率保持在30%以上。
表3:碳化硅功率器件市场规模预测
目前20万元以上新能源车对于碳化硅模组的需求基本已经是100%确定,未来随着碳化硅晶圆成本进一步下降,碳化硅的效率优势将推动全面替代,同时随着下游新能源车市场的高速增长,碳化硅模组的市场需求增长极快,预计在2025年,国内仅在新能源车市场需求将达到至少50亿人民币。
五问:如何投资碳化硅行业的公司?
碳化硅器件生产过程主要包括"单晶生产—外延层生产—器件制造“三大步骤,分别对应产业链的"晶圆衬底—外延片—器件和模组”几大环节。以碳化硅晶片为衬底,通常使用化学气相沉积(CVD)方法,在晶片上淀积一层单晶形成外延片,进而加工成为器件和模组。整个行业的产业链如下图所示:
图4:碳化硅产业链
其中,在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片,可进一步制成功率器件,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通讯、雷达等领域。
表4:碳化硅各环节国内外厂家情况
从整个产业链来看,目前碳化硅市场主要由美、欧、日国家的公司主导,中国企业开始崭露头角。在碳化硅产业链中,龙头企业的经营模式以IDM模式为主,主要的市场份额被德国Infineon、美国Cree、日本罗姆以及意法半导体等公司占据,与国际巨头相比,国内公司还有较大差距。衬底、外延片、器件等环节均需要大量的资本和人力投入,且目前的生产设备大多来自欧美国家,国内公司离国外领先企业尚有差距,要赶上国外大厂产品的品质还需要4-5年的时间。而碳化硅模组离下游的应用最近,且投资较小,因此我们认为模组将会是碳化硅产业链中最先随着下游需求爆发而得到快速发展的环节。目前碳化硅模组主要玩家有三类企业:
1、国外传统半导体大厂:如德国英飞凌、意法半导体、美国安森美等,这些企业都是老牌的功率半导体公司,在碳化硅领域也有多年的积累。
图5:英飞凌碳化硅产品
2、专业模组封装厂:此类企业不涉及晶圆生产,向上游采购晶圆,自建封装产线,向下游交付模块产品。目前国内以一些IGBT的封装厂为代表,其之前在IGBT领域耕耘超过十年,这类公司的缺点是IGBT时代设计上完全向国外公司看齐,在设计端缺乏正向研发能力,主要核心能力集中在封装工艺,对上下游经验较少。
3、主机厂自研:目前仅有国内主机厂仅有比亚迪设有半导体部门,同时向上游延伸。比亚迪半导体在功率器件方面目前主力产品还是IGBT,比亚迪目前所使用的碳化硅模组产品量还比较小;未来即使比亚迪半导体向主机厂供应碳化硅模组产品,将面临其他主机厂考察其独立客观性的问题。
图6:比亚迪半导体碳化硅模块
我们认为在这三类碳化硅模组厂家中,具备多年碳化硅系统的正向开发经验和模组驱动板的研发能力,未来在对下游客户提出定制化需求的响应能力上会大幅领先的专业模组封装厂有可能在竞争中胜出。
东方嘉富在半导体行业的布局
在半导体行业,东方嘉富已经布局了不少的投资标的:芯片设计领域有AI芯片公司寒武纪(SH. 688256)、已在申报科创板的射频前端芯片公司杭州臻镭科技和NBIOT芯片公司上海芯翼科技、在芯片代工领域有合肥晶合集成;在第三代半导体领域,完成对碳化硅模组公司上海忱芯科技的投资。