性能强过碳化硅！第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码

《科创板日报》（上海，研究员 何律衡）讯， 近期，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波 科技 股回暖的热潮，引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时，在该领域走在全球前列的日本，却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

在此基础上，第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构，且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点，被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中，碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛，前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，已在新能源 汽车 的电源管理中有所应用，后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等，在近十年才被应用于功率半导体方向，继而引发全球研发的热潮。

研究表明，氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件；击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出，氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用，其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动 汽车 和光伏太阳能系统。

不过，氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道，今年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄，将用于制造更小、更高效的电子系统，用在电动 汽车 、机车和飞机上，用于控制和转换电子，同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外，从全球范围来看，日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家，同样具备竞争优势。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和 汽车 供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上，日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手，”该行业的一位专家向媒体表示，“一旦氧化镓成功商业化，将适用于许多领域，因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国，尽管起步较晚，但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道，在去年举行的全国 科技 活动周上，北京镓族 科技 公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外，中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶，其宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

周日，据外媒报道，德国大众汽车正就汽车芯片短缺造成的停产损失，与博世和大陆集团进行谈判并要求赔偿。德国分析师称，博世和大陆有可能面临上亿欧元的索赔金。

近期汽车芯片短缺，影响的不只是大众这一家车企。

此前，据日媒报道，本田汽车因芯片供应短缺，宣布调整生产节奏，日本境内的一月份产量将减少 4000 辆。

上周一，继宣布暂时关闭位于美国肯塔基州的 SUV 工厂后，福特汽车一家负责生产其在欧洲销量最好的车型的德国工厂，因芯片短缺和需求疲软，宣布停产一个月。

周末，通用汽车因至今仍未收到充足的芯片，取消原定于 1 月 23 日的加班安排，以减少汽车产量。

韩媒消息称，这是通用汽车首次因芯片短缺而减产。

汽车芯片为何短缺?

车用芯片供应至今短缺的原因，可能要追溯到去年年初的疫情爆发。

由于新冠疫情，东南亚、欧洲等主要芯片供应商的产能都或多或少地受到了影响。加上去年上半年汽车销量大幅下滑，车企对芯片的订单量减少。没有足够的订单在手，上游的芯片制造商也只能主动选择降低产能。

然而，让人意想不到的是，从下半年开始汽车行业就逐渐表现出强劲的复苏趋势。

首先来看以中国为代表的亚洲市场。根据乘联会的数据，2020 年中国的乘用车市场第一季度销量下降了 41%，第二季度降幅大幅缩减，仅下降了 3.6%。到了下半年，中国乘用车市场恢复增长态势，实现了连续 6 个月 7% 左右的近两年最高增速。仅 12 月，乘用车零售量达 228.8 万辆，同比增长 6.6%。

与此同时，欧洲汽车制造商协会有数据显示，欧洲去年全年新车销量同比下降了 24%，但是大众、PSA 集团等车企的销量在 12 月均迎来一定程度的增长。

据统计，大众集团 12 月上牌量增长了 8.2%，除奥迪外，旗下所有品牌都呈现了正增长。其中，保时捷销量增长了 17%，大众品牌增长 16%。PSA 集团旗下的沃克斯豪尔 12 月销量则增长了 19%。

据瑞典媒体报道，沃尔沃汽车去年的前 6 个月，销量跌幅达 21%，但是下半年则创下了沃尔沃半年销量之最。其中，沃尔沃在欧洲售出的汽车中有将近三分之一都是可充电的车型。

意料之外的市场回暖速度，将一众车企及汽车芯片供应商打了个措手不及。

在下游的整车厂责怪上游芯片产能跟不上的时候，芯片供应商们不禁喊冤：芯片的生产本就需要很多时间，但是车企现在才来预定，而且是集中爆发式的大量采购，现在汽车芯片短缺又怎么能怪我们。

汽车芯片供应商恩智浦的 CEO 库尔特 · 西弗斯(Kurt Sievers)此前接受德国媒体采访时就明确表示，“业务回升的速度比我们预期的要快得多。许多客户订购得太迟了，导致我们在某些领域无法跟上步伐。”

事实上，除市场复苏速度过快、车企和芯片供应商反应滞后的原因外，全球各行业的智能化趋势也催生了更多的芯片需求，芯片的供需矛盾在进一步加剧。

相关人士分析，疫情期间居家办公、学习带动了对平板电脑、智能手机等电子产品的需求。同时，医疗器械等技术的发展，如手术机器人等智能化的医疗产品，也催生了行业对芯片的需求。

同时，随着 5G 应用的普及，不仅是消费电子、医疗，工业、通信等其他领域也将向智能化的方向加速发展，由此产生的需求也将进一步挤占汽车芯片的产能空间。

与此同时，随着汽车行业逐渐转向电动化、智能化，相比传统燃油车，电动汽车和智能汽车同样需要搭载更多的芯片。

据了解，按照功能划分，汽车芯片大致可以分为三类。一类是负责算力的，如 MCU 芯片，分布于处理器和控制器系统第二类是负责电能转换的功率半导体，如 IGBT 与 MOSFET，分布于电源和接口第三类用在传感器中，主要用于各种雷达、气囊与胎压检测。

一辆智能化的电动汽车除了要装载电机，还要搭载驾驶辅助系统、智能座舱、传感器等智能设备，毫无疑问要安装比传统燃油车要多得多的车用芯片。

据统计，仅去年全球车载 MCU 芯片的安装量就超过了 25 亿颗。

总的来说，除去疫情等不可抗力因素的影响，随着科技的不断进步，目前全球无论是消费电子领域，还是通信、医疗、汽车等产业都表现出了明显的智能化趋势。而作为实现智能化的关键部件，芯片的市场需求量必将进一步扩大。

然而，现有的芯片制造厂商，一方面其产能尚不足以较快地跟上市场变化的步伐，另一方面其对市场供需情况的预判不足、规划上的短视进一步加剧了汽车芯片产能不足的矛盾。

汽车芯片短缺带来连锁反应

车用芯片短缺带来的影响，最直观地反应在了车规级芯片的采购方身上。

据了解，汽车芯片的产业链大概可以分为三级。

上游，是以意法半导体、恩智浦为代表的的半导体制造商中游，是需要芯片生产诸如 ESP、ECU 等集成模块的一级供应商，以博世、大陆集团为代表而下游，则是从一级供应商处采购集成模块的整车厂。

对于从制造商那直接采购芯片的一级供应商而言，由于更靠近芯片制造的生产环节，其对芯片短缺的反应是最快、最敏锐的。

早在去年 12 月，博世、大陆集团等一干一级供应商就陆续传出消息，称因缺少芯片无法进一步加工生产相关集成模块。

彼时，博世表示，由于一些汽车的电子元件对芯片的依赖性越来越强，而疫情对全球的芯片生产造成了打击，汽车生产所需的元件将会出现短缺大陆集团则表示，由于需求量大增，半导体厂商虽然已在着手扩大产能，但考虑到半导体行业的交付周期，短缺状况仍将持续至少半年。

受上游芯片产能不足的影响，一级供应商们不仅在去年年末就开始面临着车用电子元件无法进一步生产的状况，两个月后，他们还面临着大众等车企提出的巨额索赔金。

当上游产能不足的影响传导到一级供应商后，汽车企业也不得不开始直面芯片短缺导致的减产停工问题。

据财联社报道，伯恩斯坦咨询预测，由于汽车芯片短缺，2021 年的汽车产量将会减少 200 万至 450 万辆，相当于近十年以来全球汽车年产量的 5% 左右。

当一种产品的市场需求远远大于供给时，市场的天平逐渐向卖方倾斜，芯片制造商纷纷要求涨价也就不足为奇。

去年 11 月 26 日，半导体公司恩智浦向客户表示，受疫情影响，他们面临着材料成本大幅增加和芯片严重短缺的双重影响，因此公司决定全线调涨产品价格，涨幅将至少达到 5%。

11 月 30 日，日本半导体制造商瑞萨电子也发布了产品提价的通知。通知上表明，由于原材料等成本的增加，瑞萨将上调部分功率半导体、控制汽车行驶等汽车芯片的价格，生效日期为 2021 年 1 月 1 日。

此后，也有消息称，瑞士的意法半导体公司同样提出了涨价，涨幅在 10% 至 20% 之间。

全球芯片短缺或成国产芯片崛起机遇?

就在汽车芯片供应不足、芯片制造商顺势提价之际，国内厂商比亚迪却表示，目前其在芯片方面产能充足，不仅能够自供，还能外销。

根据券商的多方调研，此次汽车领域短缺的芯片主要为 8 位 MCU 芯片、汽车零部件中的 ESP、ECO 模块需要用到的 MCU。

而作为国内车规级半导体的龙头企业，比亚迪从 2007 年就开始进入 MCU 领域。目前，比亚迪已经拥有了工业级通用 MCU 芯片、车规级 8 位、32 位 MCU 芯片以及电池管理 MCU 芯片等系列产品，其中车规级 MCU 的装车量已经突破 500 万颗。

除了 MCU 芯片外，车规级半导体中的功率半导体目前同样面临短缺，甚至比 MCU 的情况还要严峻。

不同于负责算力的 MCU 芯片，以 IGBT 为代表的功率半导体主要用于能源转换，它是新能源汽车电机电控系统和直流充电桩的核心器件。IGBT 模块的好坏将直接影响新能源汽车功率的释放速度。

比亚迪作为国内 IGBT 制造的龙头，在 2019 年的中国新能源车 IGBT 市场中已经位居第二。不过，其市场占有率仅达 18%。

事实上，虽然目前国内比亚迪、斯达半导体、中车时代等企业都已拥有 IGBT 等芯片的研发生产能力，但总的来看，车用芯片市场仍被英飞凌、意法半导体、瑞萨等国际厂商所垄断，车用芯片的自研率仅占 10%。

不过，当前的全球车用芯片短缺危机，却有可能成为国内芯片厂商成长的踏脚石。

有媒体报道称，下半年国内新能源汽车的销量不断增长，国际供应商却深受疫情影响导致产能不足，IGBT 芯片的供需矛盾愈发凸显，业内甚至一度传出供货周期已经延长至 52 周的消息。随着芯片的交付期一再拉长，部分车企在继续等待原供应商出货的同时，也开始尝试国产 IGBT，并逐步与比亚迪半导体、斯达半导体等国产芯片供应商建立联系。

集邦咨询数据显示，2021 年 IGBT 的市场总值预计将突破 52 亿美元。随着中国电动汽车市场的持续成长，IGBT 的需求也将逐年增加，到 2025 年中国 IGBT 市场的规模将达到 210 亿人民币。

在国际供应商产能跟不上车企需求、车用芯片市场不断扩张的背景下，去年 12 月 30 日，比亚迪发布公告，拟将子公司比亚迪半导体分拆上市。

1 月 20 日，比亚迪半导体股份有限公司宣布其已接受 IPO 辅导，并于近日在深圳证监局完成了辅导备案，而此时距离比亚迪发布公告，仅仅过去了 20 天。

希望可以提供参考性意见，希望可以采纳，谢谢

IPS-INPOWER 公司全称是 Inpower Semiconductor Co., Ltd (IPS)，是一家专业功率半导体产品设计公司, 其产品主要应用于功率管理领域。当前 IPS 的目标市场为消费电子、汽车电子、家用电器和信息技术。IPS 专注于功率半导体技术的开发，不仅利用自己独特的功率半导体技术平台研发出一大批具有自主知识产权的产品，同时利用先进的制程专利使产品更优化、更具有市场竞争力。IPS 团队的核心竞争力为功率管理产品的设计、开发和营销，如功率 MOSFETs, IGBTS, 肖特基二极管 , 快恢复整流二极管和集成电路。IPS 专有的功率半导体技术能提供整体的系统解决方案，有效地降低功率损耗，提高电路效率和节约电能。在功率半导体开发中， IPS 已经建立了几个关键的技术基准，包括高密度 UDMOST, 高密度沟槽型和平面型 MOSFETs 和 IGBTs 。面向功率管理市场的 BCD(Bipolar-CMOS-DMOS) 工艺正处于开发之中，它将进一步把脉冲宽度调制 (PWM, Pulse-Width Modulation) 控制器和 VDMOS 器件集成在一起，提供更完善的功率管理产品。骏源工程有限公司专业代理IPS（Inpower）的 MOSFET、IGBT等，如FTU02N60C、FSU04N60A、FTU04N60C、FDZ501、BQ3020、FST07N60A，特别适用于LED驱动、手机充电器等行业。

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