半导体|后摩尔时代：三代半导体的崛起( 二 ) 汽车|芯片|市场规模

三代半导体在材料选择上，主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表。但由于氮化镓生长速率慢，反应副产物多，生产工艺复杂，因此第三代半导体目前普遍采用碳化硅作为衬底材料，在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延，在高频领域选择氮化镓外延。
一些误解：新一代替代上一代吗？
目前半导体已经发展到第三代，那么是第三代替代第二代，第二代替代第一代吗？其实并不是这样。
通过上文梳理的半导体发展使用材料和应用场景来看，各代半导体各自不同的材料特性决定了它们的差异化应用场景，新一代半导体往往随着市场新增需求崛起，前一代被后一代替代的领域并不多。
目前第一代半导体材料的发展已经十分成熟。具有成本低廉、自然界储备量大、应用广泛的特点。硅片占据着全球95%以上的半导体器件市场和99%以上的集成电路市场。
以GaAs为核心的第二代化合物半导体，优势是禁带宽度、电子迁移率较高，光电性能好。生长工艺较成熟，但资源稀缺，应用主要在微电子和光电子领域等。
以SiC、GaN为核心的第三代宽禁带半导体，优势是高导电率、高导热率、耐高温等，适合制造高频、高温、高压的大功率器件，而应用层面就是新能源汽车、5G宏基站、光伏、风电等。
所以今年随着新能源、光伏等火热，第三代半导体以及关联的通信行业也被市场所关注。
三代半导体的应用市场前景
前文所述，三代半导体在材料选择上，主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表。碳化硅主要应用在新能源汽车和工控等领域，氮化镓器件主要应用在5G基站等领域。
2020年我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过100亿元，同比增长69.5% 。其中， SiC、GaN电力电子产值规模达44.7亿元，同比增长54%；GaN微波射频产值达到60.8亿元，同比增长80.3% 。
受益新能源汽车的放量和5G建设应用的推广，碳化硅衬底材料市场规模有望实现快速增长。
根据Yole统计，碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金，复合增速达44% 。按照该复合增速， 2027年碳化硅衬底材料市场规模将达到约33亿美金。
这里重点提下新能源汽车领域。
当下，电动车渗透率不断提升，汽车智能化下半场的哨声已经吹响，汽车芯片需求有望进一步扩大。兴业证券分析师谢恒此前表示，明年汽车芯片整体有望仍处于持续景气周期，以高压部分为例，在电动车快速渗透过程中，对于IGBT、SiC等需求量大幅提升，单车价值量较燃油车增加上千元。车规级逻辑IC、MCU、晶体管和传感器等需求量也有明显增加，目前车规级信号类芯片、中低压mos也处于供不应求状态，行业龙头安森美产能明显吃紧。未来拥有产能弹性的车规芯片公司，将充分受益汽车电动化和电子化，实现份额持续提升。
在功率等级相同的条件下，采用SiC器件可将电驱、电控等体积小型化，满足功率密度更高、设计更紧凑的需求，同时也能使电动车续航里程更长。
据罗兰贝格估算，预计2025年一台纯电动车中电子系统成本约为7030美元，较2019年的一台燃油车的3145美元大增3885美元。据Strategy Analytics数据显示，纯电动汽车中功率半导体占汽车半导体总成本比重约为55% ，远超传统能源汽车的21% 。
特斯拉的Model3车型采用了以24个SiC-MOSFET为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率器件的汽车厂商；目前全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件；此外， SiC器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。
说完碳化硅再说氮化镓。作为第三代半导体材料，氮化镓有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，下游应用包括微博射频器件(通信基站等) ，电力电子器件(电源等) 。
光电器件是氮化镓的主要应用方向， 2020年占GaN整体市场规模的68% ，市场规模达到224.7亿元左右。根据Yole的年度射频GaN技术与市场报告，到2025年， GaN射频市场总额将从7.4亿美元增加到超过20亿美元，复合年增长率为12% 。
当前，我国5G基站建设力度加大，带动了国内GaN微波射频器件市场规模迅速扩张。根据CASA统计， 2020年我国GaN微波射频器件市场规模为66.1亿元，同比增长57.2% 。
行业格局
蒸蒸日上的第三代半导体很显然会吸引国际巨头的布局和全球资本的关注。在半导体领域，美国的领先优势很大，根据半导体权威研究机构IC Insights公布的数据， 2016年全球半导体企业前20强中，美国有8家半导体厂商入选，可谓独占鳌头，而除美国外的其他国家和地区，日本、中国台湾地区和欧洲各有3家企业入榜，值得注意的是，在这份榜单中，我国内地没有一家企业入榜。笔者查询了最新数据， 2021年，内地只有一家公司上榜，就是中芯国际（见下图是2021最新数据，美国企业占了半壁江山）。