2月27日，第三代半导体碳化硅材料生产基地在深圳市宝安区启用。该基地由深圳市重投天科半导体有限公司（以下简称“重投天科”）建设运营，预计今年衬底和外延产能达25万片，将进一步补强深圳第三代半导体“虚拟全产业链（VIDM）”，助力广东打造国家集成电路产业发展“第三极”。

芯片的生产流程可分解为“设计、制造、封装测试”，衬底和外延材料是芯片制造环节的核心基础，位于整套工艺的最上游端。当前，广东正聚力打造中国集成电路第三极，深圳则在国内率先提出了第三代半导体“虚拟全产业链（VIDM）”发展模式。位于宝安区石岩街道的深圳市第三代半导体材料产业园，由重投天科建设运营，总投资32.7亿元，重点布局6英寸碳化硅单晶衬底和外延生产线，是广东省和深圳市重点项目、深圳全球招商大会重点签约项目。

以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体材料，是继硅以后最有行业前景的半导体材料之一，主要应用于5G通讯、新能源汽车、电力电子以及大功率转换领域等战略性新兴产业。国际知名市场调研机构Yole报告显示，重投天科的投资方之一，北京天科合达半导体股份有限公司（以下简称“天科合达”）是第三代半导体材料的头部企业，2022年导电型碳化硅衬底营收占全球总营收的12.8%，较2021年大幅提升，评估认为该公司2022年国内市占率为60%左右。

据悉，随着该项目投产、满产，将有效解决下游客户在轨道交通、新能源汽车、分布式新能源、智能电网、高端电源、5G通讯、人工智能等重点领域的碳化硅器件产业链发展的原材料基础保障和供应瓶颈。

未来，重投天科还将设立大尺寸晶体生长和外延研发中心，并与本地重点实验室在仪器设备共享及材料领域开展合作，与重点装备制造企业加强晶体加工领域的技术创新合作，联动下游龙头企业在车规器件、模组研发等工作上联合创新，并助力深圳提升8英寸衬底平台领域研发及产业化制造技术水平。


第三代半导体应用前景广阔

各地加码第三代半导体投资，根本原因在于其应用前景广阔。

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)两大主流为例：

碳化硅(SiC)器件下游应用领域包括电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、5G通信等，其中新能源汽车为最大终端应用市场。高转换效率和高功率带来整车系统成本下降，特斯拉、比亚迪、小鹏等车企相继使用SiC MOSFET。Yole预计2027年全球导电型碳化硅功率器件市场规模有望达63亿美元，其中电动汽车下游领域占比达80%。

供给端，目前全球碳化硅市场呈美国、欧洲、日本三足鼎立的格局，海外龙头主导出货量，全球有效产能仍不足。据浙商证券测算，2025年全球碳化硅衬底市场需求达188.4亿元，碳化硅器件市场需求达627.8亿元。2025年之前行业仍呈现供给不足的局面。

氮化镓(GaN)器件也是支撑“新基建”建设的关键核心部件，在5G基站、新能源充电桩等新基建代表中均有所应用。随着国家政策的推动和市场的需求，GaN器件在5G基站、数据中心有望集中放量，稳定增长。同时，在太阳能逆变器、风力发电、新能源汽车等方面，GaN也将随着技术不断进步陆续“上车”。

2021年我国5G基站用GaN射频规模36.8亿元。2023年以后，毫米波基站部署将成为拉动市场的主要力量，带动国内GaN微波射频器件市场规模成倍数增长。在“快充”场景下，根据Yole预测，2020年全球GaN功率市场规模约为4600万美元，预计2026年可达11亿美元，2020-2026年CAGR有望达到70%。

除此以外，2023年，伴随ChatGPT风靡全球，AIGC有望加速推动其下游业务，对上游算力支撑提出巨大需求，数据中心放量确定性极强。GaN功率半导体主要用于数据中心的PSU电源供应单元，与传统Si相比更具优势。

三条“充满挑战但必须要走的路”

芯联集成总经理赵奇日前做客《沪市汇·硬科硬客》第二期节目“换道超车第三代半导体”时表示，国内第三代半导体产业链发展过程中，面临着三条“充满挑战、但必须要走的路”。

赵奇认为，必须认清，性价比优秀的硅基IGBT产业是碳化硅的强力竞争对手，要将碳化硅的单器件成本控制在硅基IGBT的2.5倍，才有可能实现碳化硅的大规模商业化应用。应当从提升良率、迭代沟槽MOSFET、升级8英寸衬底三个方向来改进。

“中国第三代半导体产业发展的‘春秋时代’已经结束了，2024年将会进入‘战国时代’，形成‘战国七雄’，期间一定会伴随激烈竞争。”赵奇预测，2024年中国也可能迎来碳化硅爆发式的增长。

过去两三年，国内第三代半导体整个产业链都处在快速发展的进程中。

“本土供需缺口正在不断缩小。”赵奇指出，在以衬底和外延为主的材料端，国内厂家不仅能够保证本土供应，并且已经开始出口，比如碳化硅二极管、氮化镓器件都已实现本土化生产；最难的可以用于车载主驱逆变器的碳化硅MOSFET器件和模块，已经在国内实现量产；2023年下半年，用于主驱逆变的国内芯片，也已经开始实际使用。

“由此可见，第三代半导体进口替代方面，国内产业链各个方向都已实现突破，后面就是数量的逐渐扩大了。”赵奇表示。

当然，机遇与挑战并存。赵奇指出，国内第三代半导体行业发展过程中，在8英寸碳化硅器件产线建设、MOSFET器件大规模量产、国外主流厂商杀向国内市场争夺份额三个方面还面临着挑战。

首先，国外碳化硅主流厂商已开始积极布局8英寸的衬底、外延和器件生产能力，国内目前还在发展6英寸，8英寸只在规划和研发状态中。“目前来看，国内碳化硅往8英寸切换的速度，确实比国外稍微落后了一些。”赵奇表示。

究其原因，可能是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。

“衬底厂家可能会觉得，国内一条8英寸的碳化硅产线都没有，我为什么要大力去做8英寸衬底？而我们器件厂家也会考虑，国内8英寸衬底还不是太成熟，我拿什么来Run这个线？”赵奇如是解释。

芯联集成希望能打破这个僵局。

芯联集成是一家聚焦MEMS传感器和功率半导体器件的特色工艺晶圆代工企业。从2023年起，芯联集成开始建设国内第一条8英寸碳化硅器件产线，旨在用此来带动国内8英寸衬底、外延、器件生产的整个链条，赶上国外主流厂商们的布局。

“无论是衬底，还是器件制造，从6英寸到8英寸，还有很多技术改进和突破要完成，这是一条充满挑战但必须要走的路。”赵奇坦言。

第二个挑战是，尽管国内衬底和外延在规模上已相对成熟，但碳化硅器件批量生产、尤其是用于主驱逆变的国内芯片才刚起步，规模对比国外主流厂商还有所差距。

“从开始量产到大规模量产的过程中，生产端还有很多需要不断去优化的方向。当我们衬底、外延和芯片都能够实现大规模量产了，才能说我们整个产业链条是成熟和完整的。”赵奇表示。

第三个挑战关乎国外主流厂商对于中国市场的觊觎。

“中国新能源汽车以及风、光、储的终端已处于全球第一梯队，过去一两年，国外碳化硅主流厂商纷纷在国内布局产能。”赵奇指出，他们的目的很明确，就是要抢夺中国的碳化硅市场。

“国外这些比我们走得早的碳化硅厂家‘杀’到门口来，就需要我们更加努力在技术领先、技术创新、成本优势方面下功夫。你要有性价比更好的产品去跟他们竞争。”赵奇认为这对处在成长期的国内产业链而言也是严峻的挑战。

MOCVD设备有机会爆发

金属有机化学气相沉积（或MOCVD）设备市场是外延设备市场的一个子细分市场，过去十年来，它通常只占整个晶圆制造设备（或WFE（ wafer fabrication equipment））市场的个位数百分比。虽然MOCVD并不是一项广泛使用的技术，但它确实有其特定的用途。MOCVD工具使用精确控制的惰性气体在晶圆上制造原子薄层，长期以来一直用于制造LED和其他光电子设备。事实上，现有的GaN和SiC的半导体材料生产商在大约10-15年前（2009-2012年）享受到了大规模投资LED生产能力的繁荣，然后在2016-2018年又享受到了另一波繁荣，因为公司投资生产与3D感测相关的VCSEL和其他组件（主要是为了满足苹果公司手机的需求）。

由于基于GaN和SiC的半导体材料能够更好地满足电动汽车逆变器、光伏电池逆变器、工业电源、服务器和电信电源等领域的全新高功率应用的特殊要求，市场需求蓬勃发展，那些具有GaN和SiC的新型专用高功率半导体的生产能力的公司迎来了新一轮的繁荣。尽管SiC当前备受瞩目，因为它可以用于汽车电动化，但GaN（适用于高功率和高频RF应用）同样具有巨大的市场，，并且存在更多专业应用领域中的其他机遇，例如镓砷(GaAs)、磷化铟(InP)和氮化镓-碳化硅(GaN-on-SiC)。

我们预计未来几年碳化硅（SiC）市场份额将会有显著增长。随着200mm晶圆的推广，市场上出现了新的生产工具销售机会，例如G10-SiC系统能够处理150mm和200mm两种尺寸的晶圆，但关键在于它是一个多批次处理工具，可以处理多达九个150mm晶圆和六个200mm晶圆。

我们预计至少未来三年的强劲资本支出投资于金属有机化学气相沉积（或称MOCVD）设备；而接下来发生的事情是看涨和看跌之间争论的一个要点；Infineon，ON Semi，STMicro和Wolfspeed都在雄心勃勃地推进资本支出扩张计划，但这种资本支出不会一直持续下去——最终它们将不再追赶需求，而是将有过剩的产能；不过在这一点上，预计金属有机化学气相沉积（或称MOCVD）设备厂商将从电力/射频客户那里得到补充。