券商和基金最看好哪个半导体投资版块？一定是功率半导体 [1]。今年年初，英飞凌、意法半导体、恩智浦等国际半导体大厂均对今年功率半导体有着高景气的预期，2022 年全年产能已全部排满。[2]
任何电能转换过程都需要功率半导体，没有它，几乎一切现代电子产品都将无法工作。但它并不像提供各种算力的 CPU、GPU、FPGA、ASIC 广受关注，往往只是作为配角出现 [3]。这一领域技术迭代迅速，竞争激烈。
在本文中，你将了解到：功率半导体分类，功率半导体技术细节，功率半导体发展历史，功率半导体市场，国产功率半导体的布局情况。
功率半导体器件（Power Electronic Device）又被称为电力电子器件或功率电子器件，是实现电能变换或控制的电子器件。
具体功能包括变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等，也与节能息息相关。[4]
按功率处理能力，功率半导体分为低压小功率半导体器件、中功率半导体器件、大功率半导体器件和高压特大功率半导体器件 [5]，按照不同等级功率半导体器件广泛应用在计算机、家电、消费电子、汽车电子、工业控制、新能源、轨道交通、电力设施（发电、变电、送电）等方面。[6]
随着电动汽车的推广普及、绿色能源的使用以及地铁、动车等现代交通工具的建设，市场对高性能功率半导体器件的开发需求愈发强烈。产品包括功率半导体防护器件、高端功率半导体整流器件、光电混合集成电路、新型电力半导体器件等广泛应用于消费电子、工业制造、电力输配、新能源等重点领域。[7]
功率半导体主要应用领域，图源丨长江证券研究所 [8]功率半导体器件通常有三类产品形式：功率半导体分立器件（Power Discrete）、功率模块（Power Module，业界也将这一部分与分立器件合称为功率器件）、功率半导体集成电路（Power Integrated Circuit，即功率 IC）。
用两个公式来解释这些产品形式便是：
充电头 = 功率 IC + 功率器件（功率半导体分立器件 / 功率模块）+ 其他
功率 IC = 功率器件（功率半导体分立器件 / 功率模块）+ 其他
功率半导体在产业链中的关系，图源丨 AI 电堂
是构成功率半导体集成电路和智能功率模块的基础器件，是具有单一功能的电路基本元件，并且其本身在功能上不能再拆分的半导体器件。[9]
分立器件加工工艺包括光刻、刻蚀、离子注入、扩散退火、成膜等流程，经过加工在半导体材料上形成 PN 结，不同结构和掺杂浓度 PN 结进行组合都会影响分立器件的参数特性。
分立器件包括二极管、晶闸管、晶体管三类器件，其中晶体管分为双极性结型晶体管（BJT，常称为晶体三极管）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
功率半导体主要器件，制表丨果壳硬科技团队不可控指导通和关断都不可由控制信号控制，半控指可以控制导通但不可控制关断，全控指导通和关断都可控制。
电源电路常用的功率半导体分立器件大致有三种：功率 MOSFET、超结（SJ : super junction）构造的功率 MOSFET 以及 IGBT。[10]
主要功率半导体比较，图源丨 Rohm
是一种混合集成电路，由多个分立器件按一定功能组合模块化封装而成，如 IGBT 模块。功率模块已经历三次迭代发展，目前的产品已采用更先进的 IC 驱动、封装技术以及更多的保护技术。[11]
指将在分立器件或功率模块制造工艺基础上，通过复杂的隔离与互连工艺将各种器件（如二极管、三极管和场效应晶体管等）集成在一个半导体芯片上形成的复杂电路。功率 IC 是模拟 IC 的一个子赛道。
用于制备功率集成电路的制造技术称之为功率集成技术，功率集成技术需要在有限的芯片面积上实现高低压兼容、高性能、高效率与高可靠性。[12]
功率 IC 包括线性稳压器、开关稳压器、开关 IC、电压基准、功率管理 IC 五个大类。这些 IC 能够实现将电池或电源提供的固定电压升压、降压、稳压或电压反向处理，负责设备电能的变换、分配和检测。
功率集成电路类型和器件，制表丨果壳硬科技团队资料来源丨公开资料虽然不同类型器件在功能、性能、成本等方面差异巨大，对比形式均有所不同，但一般都会使用功率密度（每单位体积功率）和功耗衡量器件性能，同时还会关注工作电压、电流密度、反向恢复时间、最高结温、通态电阻、反向漏电流、静态电流、总栅电荷等具体参数。
功率半导体值得关注的指标，图源丨基业长青
在时代冲刷下，许多功率半导体产品都逐渐淘汰，只有综合评估表现良好的器件成为了市场最终的宠儿。纵观这一历史，发展呈现两种趋势：一种是向实现更高的电压和更低的损耗方向发展，即在分立器件上进化；另一种是向小型复合化、高集成、高密度发展，即模块化和集成电路化，但这也要仰赖构成模块或电路的“基础单位”分立器件 [6]。因此，一切都指向了分立器件。
一开始，功率半导体分立器件是从结构上进化的：第一阶段以二极管为代表，第二阶段出现以晶闸管为代表的半控型器件，第三阶段诞生了以 MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）和 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为代表的全控型器件。
而后，器件结构已基本明朗，大多情况下都是围绕这几种结构进行优化改良。虽然制程也会影响功率半导体的性能，但它属于特色工艺（More than Moore）范畴。与逻辑电路和存储芯片相反，工艺节点的进步并不能直接为分立器件、模拟电路等带来效率显著提升和成本显著下降 [13]，而是需要通过器件结构、加工工艺、应用环境提升器件价值和性能。[14]
相比动辄使用 7nm、5nm 等先进制程的逻辑 IC，功率半导体分立器件及功率 IC 技术实现难度会低很多。目前国际意法半导体（ST）最先进的 BCD 工艺也只到 65nm，国内士兰微总投资 170 亿元建设的两条 12 英寸 90~65nm 特色工艺芯片生产线便已处于先进水平，许多器件只需要 0.15~0.35μm 的工艺即可满足性能要求。[15]
半导体器件工艺节点分布，图源丨燕东微招股书图注丨 DAO 即 Discrete、 Analog、Optoelectronics，代表分立、模拟及光电 / 传感器当然，虽然造出功率半导体相对简单，但并不是说它毫无技术含量，这种情况下反而对技术优化、集成调整及功能等要求更高。
因此，在器件改良以外，业界瞄向了器件的根本 —— 材料。改变材料能够显著提升全性能指标，其中宽禁带半导体材料是非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成器件的材料。禁带宽度是半导体材料一个重要特性参数，参数越大意味着电子跃迁到导带所需能量越大，材料能承受的温度和电压也会越高。[16]
功率半导体器件发展历史，制表丨果壳硬科技团队参考资料丨《机车电传动》[17]、公开资料
功率半导体的技术演进方式，图源丨基业长青根据半导体材料的能带结构不同，可将半导体材料分为窄禁带和宽禁带两种，2.3eV 带隙宽度是区分宽窄的重要指标。窄带隙半导体代表性材料有第一代半导体材料 Si（硅）、Ge（锗）和第二代半导体材料 GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟），大于或等于 2.3eV 的宽带隙半导体代表性材料有第三代半导体材料 GaN（氮化镓）、SiC（碳化硅）[18] 和研究中的第四代半导体材料氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）等。
需强调的是，新生的半导体材料在现阶段不会完全取代之前代际的材料，均是对硅材料的一种重要补充。[19]
第一代~ 第四代半导体材料特性对比，制表丨果壳硬科技团队资料来源丨《硅酸盐学报》[20]、集微网、公开资料SiC 和 GaN 是宽禁带半导体材料发展比较成熟的材料，自 2001 年以来，SiC 二极管、SiC-BJT、SiC-MOSFET 及 GaN-HEMT 等宽禁带的第三代半导体产品相继开发成功并量产 [21]。但彼时使用新材料的性价比较低，在长达十余年里一直被冠以价格高昂的帽子，而后经过多年研发，器件成本逐渐下降、晶圆产能逐渐丰富，两种材料在 TCO（总拥有成本）上优势逐渐凸显，这一赛道开始爆发，前景广阔。
GaN 和 SiC 瞄准的领域各有不同，业界的普遍认为 GaN 功率半导体瞄准的耐压区域比 SiC 功率半导体低几十伏至六百伏 [10]，目前来说 GaN 主要应用在通信射频、电力电子、LED 三大场景，SiC 主要应用在电力电子和通信射频两大领域。[22]
常见的 MOSFET 的应用领域，图源丨 RohmSiC 和 GaN 是功率半导体行业的“福音”，几乎所有巨头都会掺上一脚。德州仪器（TI）向笔者解释，相比传统的硅器件，宽禁带器件无疑是实现更高效率和更高功率密度方案的重要选择，作为全球领先的半导体公司也从 2010 年开始布局。
和计算芯片类似，功率半导体企业的经营模式也分为两种：
IDM 模式（Integrated Device Manufacture），即一体化模式，通过产业链的延伸与上下游整合，一家公司扛起造芯片的所有步骤；
Fabless 模式（特指垂直分工模式中设计一环），即企业自身没有晶圆生产线，仅进行芯片设计，最终生产通过定制化采购和代工完成。
半导体经营模式示意图，图源丨燕东微招股书由于功率半导体不依赖先进制程，更侧重于打造特色平台，并在工艺上精益求精，因此决定了功率半导体厂商在建厂和购买设备上投入相对小，因此从国际到国内大部分公司为 IDM 模式。目前全球功率半导体公司分为三个梯队，第一梯队为国际领先的大型半导体公司，第二梯队为国内技术突破公司，第三梯队为一些分立器件封装企业。[23]
功率半导体的三个梯队，图源丨立昂微招股书功率半导体拥有技术密集型属性，对芯片设计、工艺流片、封装测试、可靠性测试等环节衔接及质量要求高，且研发周期长、研发投入大，从设计至规模化投放往往需要两年以上。与此同时，对技术储备和人才储备要求高。为推出比国内外竞品更先进、更具竞争力的技术和产品，要精准把握行业发展趋势，同时还要承担产品升级迭代失败的风险。[24]
相对来说，功率半导体是能滚雪球的赛道，持续精进便可占据一席之地 [25]。据半导体风向标分析，功率半导体行业波动符合大宗商品走势规律，4~5 年的行业波动非常吻合半导体周期规律，产品与全球 GDP 走势密切相关。[26]
现在，全世界很多半导体企业都在斥巨资研发和生产功率半导体。国际上德州仪器（TI）、亚德诺半导体（ADI）、英飞凌（Infineon）、意法半导体（ST）、东芝（Toshiba）、瑞萨电子（Renesas）、罗姆（Rohm）等企业都在为夺取功率半导体的市场霸权而卯足了劲。
从数据来看，功率半导体市场增速也较为可观。Mordor Intelligence 数据显示，2020 年全球功率半导体市场规模为 379.0 亿美元，预计到 2026 年全球功率半导体市场规模将达到 460.2 亿美元，年复合增长率为 3.17%。[27]
功率半导体细分市场包括功率器件（即分立器件和功率模块）和功率 IC 两方面，有些公司会全部包揽，有些公司会专注集成度更高的功率 IC。
当前功率器件市场仍由分立器件主导，但未来几年功率模块份额将显著增加。到 2026 年，电动汽车、工业电机和家用电器将推动功率模块市场达到近 100 亿美元。分立式功率器件主要用于低功率应用，如低功率电机驱动器、光伏微型逆变器和住宅组串式光伏逆变器、汽车辅助系统、DC / DC 转换器和车载充电器等，高功率应用将更多使用功率模块，但高效率要求使对组件和技术的需求更加多样化。[28]
2020 年~2026 年功率半导体市场，图源丨 YoleYole 指出，功率器件中 MOSFET、IGBT 及 SiC 技术是至关重要的三个领域。IGBT 和 SiC 功率模块主要用于电动汽车、风力涡轮机、光伏、储能和电动汽车直流充电器等应用，主要由高系统功率趋势驱动。整体来看，目前硅基功率器件仍会占据整个功率半导体市场的半壁江山，但随着需求量提升，宽禁带器件在未来会有长足的增长。
按设备拆分的 2020 年~2026 年功率半导体，图源丨 Yole相较国际，国内功率半导体起步较晚，主要通过引进技术后逐步创新，提升国产化。目前，国内功率半导体行业取得了很大的发展，但在高端器件设计和制造方面与国际领先产品存在差距。
二级市场方面，功率半导体概念股已形成规模，企业数量较多，其中多数为 IDM 模式。在产品方面，大多企业既生产功率半导体分立器件也生产功率模块，一些企业也会生产功率 IC。除此之外，布局第三代半导体材料功率半导体已成为二级市场共识。
国内功率半导体上市代表公司，制图丨果壳硬科技团队再纵观 2022 年 Q1 融资情况，百亿美元市场吸引了不少新晋玩家。不过这些企业只有少数选择了传统的硅基功率器件领域，基本一致看好 SiC、GaN 赛道，且大部分处于 A 轮融资阶段。
2022 年 Q1 功率半导体相关融资公司，制表丨果壳硬科技团队硅基功率 MOSFET 和 IGBT 器件领域，国内与国际先进水平差距明显：MOSFET 器件，以平面工艺的 VDMOS 为主，缺乏高元胞密度的低功耗功率器件，国际上热门超结器件在国内尚处于研发阶段，芯片产业化以中小功率（100～500V/≤30A）为主，批量生产单管已在消费电子领域得到广泛应用，600V～900V 的芯片正在开发中；IGBT 器件，模块封装技术有所提升，国产芯片的 600V、1200V、1700V / 200A~2000A 的 IGBT 模块已投入使用，3300V、4500V、6500V / 600A~1500A 的 IGBT 模块进入中试阶段，有少量样品正在试用。[29]
SiC 和 GaN 宽禁带功率器件方面与国际先进国家相比，研发基础较为薄弱，产业化还处于初始阶段，但在衬底、外延片、器件 / 模块上均有相关企业布局。
SiC 产业链重点企业，图源丨天风证券 [30]
GaN 产业链重点企业，图源丨天风证券 [30]据 CASA（第三代半导体产业技术创新战略联盟）数据，2020 年国内功率器件市场规模约为 3002.6 亿元，SiC、GaN 电力电子器件市场规模约为 46.8 亿元，SiC、GaN 电力电子渗透率约为 1.56%，至 2025 年，SiC、GaN 电力电子器件应用市场将以 45% 的年复合增长率增长至近 300 亿元。[31]
2016 年~2025 年我国 SiC、GaN 电力电子器件应用市场规模（亿元），图源丨 CASA
功率 IC 方面，入门门槛不算高，但对企业的持续研发能力要求高。据与非研究院统计，功率 IC 在全球功率半导体消费中占比超过 50%，2021 年全球功率 IC 市场规模为 305 亿美元，预计 2022 年将保持稳定，而国内功率 IC 厂商约为 160 家。[32]
另据芯谋研究数据，2021 年中国功率 IC 大部分公司营收大幅增长，部分公司营收增长 100% 以上，矽力杰、晶丰明源、士兰微、富满微电子、圣邦微电子、上海南芯、明微电子、上海贝岭、艾为电子、必易微电子的 2021 年功率 IC 营收排名国内前十。[33]
2021 年中国前 10 大功率 IC 公司营收和增速，图源丨芯谋研究总结来说，国产在功率半导体市场一直都有平替产品，但相比国外仍有差距，在地缘政治摩擦频发和功率半导体相关背景条件下，国产替代正在加速。由于 SiC 和 GaN 整体成本仍然比硅基功率半导体上有差距，MOSFET、IGBT 分立器件和模组仍然会是 3~5 年内的主流和增长亮点，不过在 5G、新能源、智能化汽车拉动下，SiC 和 GaN 市场前景极佳。
References：
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[32] 与非研究院：产研 | 国产功率 IC 拿什么逆袭？.2022.3.8.https://mp.weixin.qq.com/ s / aLN1F1CPzJiqS9L9N-Xg_A
[33] 芯谋研究：报告解读｜洞察功率 IC 产业趋势.2022.1.7.https://mp.weixin.qq.com/ s / o9lYELeNJ9d0cLzf6fEXsg
本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓
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