我们平时所说的半导体器件的上游基本上指的是硅片，原材料主要是硅，占到目前半导体产品的90%以上。这被称为第一代半导体。第二代半导体主要是以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为原材料。第三代半导体主要以以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为原材料。

三代半导体材料之间的关系并不像苹果手机一样，十三香和苹果12之间是个逐步升级的取代关系，而半导体是根据其不同特性，适用于不同领域，互补，共存。

以硅为主要原材料的第一代半导体整体产业链和应用领域都已经很成熟，你现在用的电脑、手机的芯片都是它，目前的新能源汽车里的芯片暂时还主要用它。（这篇只讲半导体硅片，不包括光伏硅片。如果我们把硅片纯净度由9-11个9降到6-8个9，就是光伏硅片，所以硅片应用领域宽广，市场容量巨大。）硅基半导体的优势是可靠，稳定，相对便宜。

第二代半导体主要应用在光纤和移动通信领域。其中以砷化镓发展与应用最成熟，但是总体市场规模较小。

以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体具有“宽禁带（Wide Band-Gap，WBG）”的优势。制成的器件耐高压、耐高温，并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。第三代半导体在新能源汽车、5G、特高压、数据中心等应用领域具有明显的性能优势。目前虽然市场规模还较小，但是随着特斯拉在Model 3上面应用碳化硅芯片，比亚迪在汉EV开始采用碳化硅芯片，其他电动车厂纷纷宣布跟上碳化硅的规划，碳化硅的市场规模将迎来快速爆发。

据Yole预测，2019-2025全球碳化硅市场将会以30%的复合增长率增长，市场规模预计从2020年的5.4亿美元的增长至2025年的25亿美元（IHSMarkit的 预测更乐观，其预估2027年全球碳化硅功率器件市场需求将超100亿美元）。

Wolfspeed（原名Cree) 是碳化硅领域当之无愧的引领者和老大，覆盖全产业链，从衬底、外延、器件设计、制造到封测样样齐全。碳化硅产业链目前价值量占比最大的是衬底，差不多占到40-50%，目前产能最受限的环节也在衬底。而Wolfspeed的碳化硅衬底2020年在全球的市场占有率差不多占到45%。

今天我就从全球碳化硅老大Wolfspeed开始引发几个粗略的讨论：

1. 为什么碳化硅衬底会位于价值链的顶端呢？

总结来说，就是衬底的进入壁垒最高。这个壁垒倒不是来自于资金，我们看到的碳化硅行业的大额投资和硅基半导体的大额投资比起来可谓小巫见大巫。2019年，Cree宣布将在5年内投资10亿美元用于在美国扩大碳化硅和氮化镓产能。国内最大的第三代碳化硅垂直产业链，三安光电位于长沙的三安半导体基地投资160亿元，比起硅基的晶圆代工动辄几十亿上百亿美元的先进制程生产线，壁垒真不在资金方面。

技术、工艺和设备才是关键。碳化硅最难的在于长晶环节，由于碳化硅长晶和工艺经验的高相关性，导致上游的设备环节标准化程度很低，Wolfspeed、罗姆等主流材料厂商的长晶炉都是自己设计，设备生产以设备制造代工为主。因此，碳化硅产业链上目前没有一家以生产长晶炉为核心业务的厂商，主流材料厂商都自己把握核心长晶环节的设备和工艺。长晶炉的热场设计、压力控制等核心工艺直接决定着晶体的质量。所以长晶设备和衬底基本上都一体化。

2. 衬底的市场竞争如何？

价值链顶端，又是最有话语权的产业链环节，自然是被整个行业盯着，谁也不想放着肥肉不吃，谁也不想被卡脖子面临供应链短缺。目前碳化硅衬底仍然基本被国外厂商占据，Wolfspeed、罗姆和II-VI三家就占了80%多的衬底市场，国内厂商份额很小。但是国内厂商近年纷纷布局，加大投资，产能上升很快。

据中国电子材料行业协会统计，我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30家，近年来这些企业的规划投资总额超过300亿，规划产能超过180万片/年。当然啦，规划投资、规划产能和将来的实际落地产能之间可能会有不小的差异。有些公司号称的百亿投资项目能落地多少还是问号，上市公司蹭热点、画大饼的事在各个行业屡见不鲜，在碳化硅产业链，投资项目不了了之也不新鲜。

但是，总体来说，整个半导体行业，不管是第几代半导体，国产替代的需求非常高，国内厂家在碳化硅产业链爆发只是技术积累，何时爆发的问题。只要技术上接近，到了拼产能产量的阶段，国内厂商不仅会实现国产替代，而且会大幅提升国际市占率。当然，路得一步一步走，虽然第三代半导体国内国外的差距比第一代差距小，5年的差距应该还是有的。

和硅基半导体一样，碳化硅晶片的尺寸越大，下游器件的成本就越低。因为更大的晶圆，单位面积里能做出更多器件，单器件成本就降低了。目前碳化硅以6寸为主流，国外4寸的产能已经基本淘汰了，但是国内还在4寸向6寸的过渡阶段，比如天科合达。8寸国内外都在大力研发和投资，根据Wolfspeed10月底的22Q1财报电话会议，其位于Mohawk Valley的8寸晶圆厂将于2022年上半年启用，将是全球第一个量产8寸碳化硅的工厂。国内厂商8寸衬底还在研发当中，所以说进展顺利的话，5年的差距也差不多。

3. 一体化发展模式是否最优？

从目前碳化硅产业链的发展模式来看，像Wolfspeed这样的一体化模式应该比只占据产业链某个细分环节更具竞争力。三安光电的发展模式和路径可谓是中国版wolfspeed。但是，长期来看，回顾第一代半导体发展历史，当整个产业链成熟，需求不断扩大，各个节点的技术突破同时爆发时，一体化的产业链发展模式未必是最佳方案。就像第一代半导体发展初期，可能大家都想不到台积电的晶圆代工能发展到现在的体量。当然，这个问题现在考虑还早。不管是一体化，还是在衬底或器件方面有技术或产能优势，都是值得关注的标的。只有当衬底产能不紧张了，下游的器件厂商才有底气去更换和自己有竞争关系的一体化厂商。而这可能是多年后wolfspeed和三安光电要面临的问题。

4. 国内碳化硅产业链的主要厂商

衬底：三安光电、天科合达、山东天岳、露笑科技、同光晶体、晶盛机电

外延：三安光电、瀚天天成、东莞天域、天科合达

器件：三安光电、泰科天润、士兰微、闻泰科技、斯达半导、扬杰科技

下一篇我们再讲各环节及厂商的优劣势和产能。