第三代半導(dǎo)體碳化硅行業(yè)深度研究報告

發(fā)布時間：2022-09-27作者來源：薩科微瀏覽：2276

一、碳化硅 SiC 為第三代半導(dǎo)體材料

1.1 半導(dǎo)體材料市場廣闊

半導(dǎo)體行業(yè)市場規(guī)模較大，產(chǎn)業(yè)鏈較長，技術(shù)門檻較高且應(yīng)用廣泛，是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游半導(dǎo)體材料、中游半導(dǎo)體元件以及下游應(yīng)用領(lǐng)域。上游材料半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間）、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。

中游半導(dǎo)體元件主要包括集成電路、傳感器、分立器件以及光電子器件，集成電路（IC）是一種微型電子器件或部件，通過特殊工藝把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起；傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)；分立器件是具有單一功能的電路基本元件，如晶體管、二極管、電阻、電容、電感等；光電子器件是光纖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成要件，多應(yīng)用于 5G 通信等領(lǐng)域。半導(dǎo)體元件可應(yīng)用于下游消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、新能源、軌道交通及光電顯示等主要領(lǐng)域。

全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)不斷上升趨勢，半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的主要組成部分。近年來全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)不斷上升趨勢，2014 至 2020年全球半導(dǎo)體銷售額年復(fù)合增長率為 4.6%。中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)同樣呈現(xiàn)規(guī)模持續(xù)擴大，在政策大力支持與下游應(yīng)用快速繁榮等因素的推動下，2014 至 2020 年中國半導(dǎo)體銷售額年復(fù)合增長率達 8.7%，占全球半導(dǎo)體銷售額比例由 2014 年的 27%上升至 2020 年的 34%，是當(dāng)前全球[敏感詞] 的半導(dǎo)體消費市場。半導(dǎo)體材料在集成電路和分立器件等半導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中起關(guān)鍵作用。常見的半導(dǎo)體制造材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體及砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體材料，其中以碳化硅、氮化鎵等化合物為材料的半導(dǎo)屬于第三代化合物半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體材料市場空間廣闊，制造材料銷售額占比不斷提高。全球半導(dǎo)體材料銷售額規(guī)模不斷上升，2015 年至 2019 年復(fù)合增長率為 4.8%；中國大陸半導(dǎo)體材料市場快速增長，2015 至 2019 年復(fù)合增長率達 9.3%，占全球半導(dǎo)體材料銷售額比例不斷攀升，由 2015 年的 14%增長至 2019 年的 16.7%。從材料類別來看，半導(dǎo)體制造材料銷售規(guī)模占全部半導(dǎo)體材料銷售額比例超50%，且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，2015 至 2019 年制造材料銷售額復(fù)合增長率達 8.1%，而封裝材料 2015 至 2019 年銷售額復(fù)合增長率為-0.1%。

1.2 第三代半導(dǎo)體制造材料碳化硅性能優(yōu)勢突出

[敏感詞]代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）為代表的元素半導(dǎo)體材料，應(yīng)用極為普遍，包括集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機等。其中，最典型的應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中。硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量[敏感詞]、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率；且其帶隙寬度較窄，飽和電子遷移率較低，不利于研制高頻和高功率電子器件，硅基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合就達到其性能的極限。

第二代半導(dǎo)體材料主要是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物材料，目前手機所使用的關(guān)鍵通信芯片都采用類似材料制作。砷化鎵材料的電子遷移率約是硅的 6 倍，具有直接帶隙，故其器件相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能，因此被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的關(guān)鍵襯底材料。由于第二代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不夠大，擊穿電場較低，限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，由于砷化鎵材料的毒性，可能引起環(huán)境污染問題，對人類健康存在潛在的威脅。

第三代半導(dǎo)體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，多在通信、新能源汽車、高鐵、衛(wèi)星通信、航空航天等場景中應(yīng)用，其中碳化硅、氮化鎵的研究和發(fā)展較為成熟。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)勢，因此，采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運行，適用于高電壓、高頻率場景，此外，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。

碳化硅是由碳和硅組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，具有多種同素異構(gòu)類型，是世界上硬度排名第三的物質(zhì)，在熱、化學(xué)和機械方面都非常穩(wěn)定。在物理性質(zhì)上，SiC 具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱率、高熱穩(wěn)定性以及散熱性好的特點；在化學(xué)性質(zhì)上，SiC 表面易形成硅氧化物薄膜以防止其進一步氧化，但在高溫下該氧化膜會迅速發(fā)生氧化反應(yīng)。

碳化硅的典型結(jié)構(gòu)可分為兩類，一類是閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方碳化硅晶型，稱為 3CSiC 或 β-SiC，這里 3 指的是周期表性次序中面的數(shù)目；另一類是六角型或菱形結(jié)構(gòu)的大周期結(jié)構(gòu)其中典型的有 6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC 等，統(tǒng)稱為 α-SiC。其中，4H-SiC 和 6H-SiC 是兩種半導(dǎo)體所需的材料，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料具有相似的特性，4H-SiC 的飽和電子速度是 Si 的兩倍，從而為 SiC 元件提供了較高的電流密度和較高的電壓，常被用來作為碳化硅功率器件。而 6H-SiC 和 4H-SiC [敏感詞]的差異在于 4H-SiC 的電子遷移率是 6H-SiC 的兩倍，這是因為 4H-SiC 有較高的水平軸（a-aixs）的移動率。在碳化硅晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶體不合格。

碳化硅在半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料，基于其優(yōu)良的特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，當(dāng)前碳化硅襯底已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。

1.3 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈詳概況

近年來，以碳化硅晶片作為襯底材料的技術(shù)逐漸成熟并開始規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。SiC 生產(chǎn)過程主要包括碳化硅單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應(yīng)的是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)。

1.3.1 襯底

襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，主要起到物理支撐、導(dǎo)熱及導(dǎo)電作用，碳化硅襯底主要包括導(dǎo)電型和半絕緣型兩類，二者在外延層及下游應(yīng)用場景不同。作為導(dǎo)電型襯底材料，經(jīng)過外延生長、器件制造、封裝測試，制成碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，適用于高溫、高壓等工作環(huán)境，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；作為半絕緣型襯底材料，經(jīng)過外延生長、器件制造、封裝測試，制成 HEMT 等微波射頻器件，適用于高頻、高溫等工作環(huán)境，主要應(yīng)用于 5G 通訊、衛(wèi)星、雷達等領(lǐng)域。

當(dāng)前碳化硅襯底以 4、6 英寸為主，科銳公司已成功研發(fā) 8 英寸產(chǎn)品。在半絕緣型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為 4 英寸；在導(dǎo)電型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為 6 英寸。碳化硅襯底的尺寸（按直徑計算）主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）等規(guī)格。碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)公司主要量產(chǎn)襯底尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸。在[敏感詞]技術(shù)研發(fā)儲備上，以行業(yè)領(lǐng)先者 WolfSpeed 公司的研發(fā)進程為例，WolfSpeed 公司已成功研發(fā) 8 英寸產(chǎn) 品。為提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向，襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低；襯底的尺寸越大，邊緣的浪費就越小，有利于進一步降低芯片的成本。由于現(xiàn)有的 6 英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級改造用于生產(chǎn) SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 襯底的高市占率將維持較長時間。

碳化硅晶體生長是碳化硅襯底制備的關(guān)鍵技術(shù)，目前行業(yè)采用主流的方法為物理氣相傳輸法（PVT）。碳化硅襯底行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)，是材料、熱動力學(xué)、半導(dǎo)體物理、化學(xué)、計算機仿真模擬、機械等交叉學(xué)科應(yīng)用，其制作過程首先是使晶體生長形成碳化硅晶錠，將其加工和切割形成碳化硅晶片后通過對晶片進行研磨、拋光和清洗最終形成碳化硅襯底。碳化硅晶體生長是碳化硅襯底制備的關(guān)鍵點，SiC 單晶主要有物理氣相傳輸法（PVT）、頂部籽晶溶液生長法（TSSG）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）三種方法。

其中，TSSG 法生長晶體尺寸較小目前僅用于實驗室生長，商業(yè)化的技術(shù)路線主要是 PVT 和 HTCVD，而與 HTCVD 法相比，采用 PVT 法生長 SiC 單晶具有所需設(shè)備簡單、操作容易控制、設(shè)備價格以及運行成本低等優(yōu)點。因此，PVT 法是目前工業(yè)生產(chǎn)晶體所采用的主要方法，WolfSpeed 公司、II-VI 公司、SiCrystal、天科合達、山東天岳等國內(nèi)外主要碳化硅晶片生產(chǎn)企業(yè)均采用 PVT 法，該法首先在高溫區(qū)將材料升華，然后輸送到冷凝區(qū)使其成為飽和蒸氣，最后經(jīng)過冷凝成核而長成晶體。基于 PVT法制備碳化硅襯底的工藝流程主要包含原料合成、晶體生長、晶錠加工、晶體切割及晶片處理五大工藝流程。

1.3.2 外延

外延層是在晶片的基礎(chǔ)上，經(jīng)過外延工藝生長出特定單晶薄膜，襯底晶片和外延薄膜合稱外延片。其中，在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅同質(zhì)外延片，可進一步制成肖特基二極管、MOSFET、 IGBT 等功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）異質(zhì)外延片，可進一步制成 HEMT 等微波射頻器件，應(yīng)用于 5G 通訊、雷達等領(lǐng)域。在全球市場中，外延片企業(yè)主要有 II-VI、Norstel、WolfSpeed、羅姆等 IDM 公司。近年來，國內(nèi)瀚天天成、東莞天域、基本半導(dǎo)體已能提供 4 寸及 6 寸 SiC 外延片。

外延的質(zhì)量受到晶體和襯底加工的影響，處在產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。由于碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響非常大。以往器件大多是在低電壓的環(huán)境工作，但隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，碳化硅外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發(fā)展。電壓越大，所需要的外延就越厚，在 600 伏的低壓情況下，器件需要的外延厚度大約為 6μm；在中壓 1200~1700 伏下，需要的厚度為 10~15μm；在 1 萬伏以上的高壓情況下，需要的厚度為 100μm 以上。在核心參數(shù)方面，外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度在低壓、中壓領(lǐng)域已經(jīng)可以做到相對較優(yōu) 的水平，但在高壓領(lǐng)域，還有很多難題需要攻克，包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。在中低壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對成熟，基本可以滿足中低壓 SBD、MOS、JBS 等器件需求；在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，器件的類型趨向于使用雙極器件。

碳化硅外延制備技術(shù)方面，當(dāng)前主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積法（CVD），該法通過臺階流的生長來實現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料，根據(jù)不同的摻雜類型，分為 n 型和 p 型外延片。碳化硅外延的生長參數(shù) 要求較高，受到設(shè)備密閉性、反應(yīng)室氣壓、氣體通入時間、氣體配比情況、沉積溫度控制等多重因素影響。而第三代半導(dǎo)體中，由于氮化鎵材料作為襯底實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)當(dāng)前仍面臨挑戰(zhàn)，因此是以藍寶石、硅晶片或碳化硅晶片作為襯底，通過外延生長氮化鎵器件。

1.3.3 碳化硅功率器件

碳化硅功率器件主要包含 SiC 功率二極管、SiC MOSFET 器件和碳化硅絕緣柵雙極晶體管（SiC BJT/SiC IGBT）等 SiC 晶體管兩大類。SiC 從上個世紀 70 年代開始研發(fā)，2001 年 SiC-SBD 開始商用，2010 年 SiCMOSFET 開始商用，而 SiC-IGBT 的商用仍存在挑戰(zhàn)。隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高，使得 SiC 器件制備能夠在目前現(xiàn)有 6 英寸 Si 基功率器件生長線上進行，這將進一步降低 SiC 材料和器件成本，推進 SiC 器件和模塊的普及。當(dāng)前，國際上 600～1700VSiC-SBD、MOSFET 已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在 1200V 以下，封裝形式以 TO 封裝為主。價格方面，國際上的 SiC 產(chǎn)品價格是對應(yīng) Si 產(chǎn)品的 5～6 倍，正以每年 10%的速度下降，隨著上游材料紛紛擴產(chǎn)上線，未來 2～3 年后市場供應(yīng)加大，價格將進一步下降，預(yù)計價格達到對應(yīng) Si 產(chǎn)品 2～3 倍時，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢將推動 SiC 逐步占領(lǐng) Si 器件的市場空間。

碳化硅功率二極管主要有肖特基二極管（Schottky Barrier Diode，SBD）、PIN 二極管（SiC-PIN）和結(jié)勢壘控制肖特基二極管（SiC-JBS）三種，主要應(yīng)用在電力電源領(lǐng)域，工作在開關(guān)狀態(tài)。（1）SiC-SBD 為肖特基勢壘二極管，利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的一種熱載流子二極管，也被稱為金屬－半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，結(jié)構(gòu)與硅肖特基勢壘二極管基本相同，僅電子移動、電流流動。與 Si-SBD 相比，SiC-SBD 不僅擁有優(yōu)異的高速性且實現(xiàn)了高耐壓，Si-SBD 的耐壓極限為 200V，而 SiC 具有硅 10 倍的擊穿場強。

此外，SiC-SBD 還擁有正向特性以及優(yōu)異的 TRR 特性，而且?guī)缀鯖]有溫度及電流依賴性。當(dāng)前主流的 SiC-SBD 產(chǎn)品耐壓極限為 1200V，同時羅姆公司在推進 1700V 耐壓的產(chǎn)品。（2）SiC-PIN 是一個在射頻和微波頻段受偏置電流控制的可變阻抗器．它的結(jié)構(gòu)有三層，在碳化硅半導(dǎo)體二極管的 P 結(jié)和N結(jié)中間夾著高阻值的本征 I 層。與硅基 PIN 二極管相比，碳化硅 PIN 二極管具有高于硅的 2-3個數(shù)量級的開關(guān)速度、高結(jié)溫承受能力、高電流密度以及更高的功率密度。（3）由于 SBD 和 PiN 二極管為主的傳統(tǒng)二極管己無法滿足高頻、大功率、低功耗的市場需求,前者擊穿電壓低、反向漏電大，而后者高頻特性較差，由此 JBS 應(yīng)運而生,該結(jié)構(gòu)將 SBD 結(jié)構(gòu) 和 PiN 結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合在一起,具有高耐壓、低壓降、小漏電、高頻特性好及強抗過壓和浪涌電流能力，SiCJBS 較 Si-JBS 具有大電流密度、高工作結(jié)溫的性能優(yōu)勢。

SiC MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是以碳化硅為襯底的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。在 300V 以下的功率器件領(lǐng)域， Si MOSFET 器件是[敏感詞]，具有較為理想的柵極電阻、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在 SiC MOSFET 的開發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級的 Si-MOSFET 相比，SiC MOSFET（以英飛凌產(chǎn)品為例）的優(yōu)勢有：

（1）開關(guān)損耗低，在 25℃結(jié)溫下，SiC-MOSFET 關(guān)斷損耗大約是 IGBT 的 20%，在 175℃的結(jié)溫下，SiC MOSFET 關(guān)斷損耗僅有 IGBT 的 10%（關(guān)斷 40A 電流），且開關(guān)損耗溫度系數(shù)很小；（2）導(dǎo)通損耗低，當(dāng)負載電流為 15A 時，在常溫下，SiC MOSFET 的正向壓降只有 IGBT 的一半，在 175℃結(jié)溫下，SiC MOSFET 的正向壓降約是 IGBT 的 80%；（3）體二極管續(xù)流特性好，在常溫及高溫下，1200V SiC MOSFET 體二極管僅有 Si MOSFET 體二極管 Qrr 的 10%。因此，SiC MOSFET 電阻、開關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性，由此在新能源汽車電機控制器、車載電源、太陽能逆變器、充電樁、UPS、PFC 電源等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

碳化硅絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor , IGBT）是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷iC IGBT 結(jié)合了 SiC MOSFET 和 SiC 晶體管的優(yōu)點，得益于 SiC 的寬禁帶和極高的電壓等級，SiC 基 IGBT 的性能與 Si 基 IGBT [敏感詞]的差別是動靜態(tài)特性。正向性是靜態(tài)特性的重要組成部分，也就是導(dǎo)通特性，SiC IGBT 的正向?qū)娮枰话愕陀?Si IGBT 和 SiC MOSFET，主要是由于其漂移區(qū)厚度小、電導(dǎo)調(diào)制更短所致，且 n 溝道 SiC IGBT 相較于 p 溝道的 SiC IGBT 正向特性更優(yōu)。此外，動態(tài)特性方面，與 Si IGBT 類似，SiC IGBT 由于其材料的特性，導(dǎo)致動態(tài)參數(shù)有所不同；門極驅(qū)動方面， SiC IGBT 的驅(qū)動和 Si 基 IGBT 在整體上差別不大，需要考慮到高絕緣性能、低耦合電容、低成本、尺寸、高效率和高可靠性等因素。

對于 SiC IGBT，SiC 晶片質(zhì)量、SiC/SiO2 界面特性、電磁干擾和短路耐受能力等卻限制了它的使用，SiC IGBT 的制備存在一系列挑戰(zhàn)。（1）碳化硅晶片的質(zhì)量直接決定其 IGBT 器件的性能、可靠性、穩(wěn)定性和產(chǎn)率。碳化硅晶圓中材料的固有缺陷和外延生長的結(jié)構(gòu)缺陷會大大降低碳化硅 IGBT 的載流子壽命，高壓 SiC 雙極型器件需要很長的載流子壽命來降低導(dǎo)通壓降，此外，壽命分布不均勻、不同缺陷密度之間的權(quán)衡等各類問題同樣存在。大尺寸、高質(zhì)量材料和低缺陷密度外延生長工藝都是實現(xiàn) SiC IGBT 的關(guān)鍵。

（2）使用 SiO2 來作為柵極的氧化層，帶來 SiC/SiO2 界面性能新問題。SiC IGBT 可以像 Si 基的一樣較容易形成 SiO2 層，但是在氧化的過程中，除了近界面陷阱外，還會引入額外的 C 簇，使得 SiC/SiO2 界面陷阱密度遠大于 Si/SiO2，導(dǎo)致 SiCMOS的溝道遷移率大大降低；在 4H-SiC IGBT 中，SiO2 中的電場是 SiC 中的 2.5 倍，與 Si IGBT 相比，SiC IGBT中較高的臨界電場使得 SiO2 的電場更高。（3）結(jié)端擴展(JTE)和場限環(huán)(FLRs)是目前 SiC IGBT 的兩種主要終端技術(shù)，前者主要用于低壓器件，后者用于高壓器件，但 FLRs 在高壓器件中需要消耗很大的面積。（4） SiC IGBT 仍封裝在線綁定的模塊中，綁定線失效和焊料的失效是常見的壽命限制因素。因此，從 SiC IGBT 的原材料到制備工藝到終端技術(shù)都存在阻礙 SiC IGBT 商業(yè)化的技術(shù)難點。

二、需求：下游產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用爆發(fā)，SiC 市場需求紅利釋放

2.1 SiC 市場處于成長期，規(guī)模增長迅速

第三代半導(dǎo)體高速發(fā)展，市場紅利逐步釋放。2019 年及以前，以 SiC 和 GaN 為主的第三代半導(dǎo)體材料處于發(fā)展初期，晶圓設(shè)備開發(fā)、襯底外延制造、下游器件生產(chǎn)均處于研發(fā)階段且尚未形成規(guī)模量產(chǎn)。隨著美國、韓國、日本等半導(dǎo)體強國大力進行第三代半導(dǎo)體的相關(guān)研發(fā)，2020 年在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用爆發(fā)的推動下，第三代半導(dǎo)體正式進入高速發(fā)展期。目前，SiC 襯底和外延技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用于 8 英寸節(jié)點，相較于傳統(tǒng)硅晶圓的 12 英寸來說仍有量級差距；SiC 功率器件（SBD、MOSFET）目前廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng) 域，國際領(lǐng)先企業(yè)已實現(xiàn) MOSFET 器件的量產(chǎn)。此外，中國也發(fā)布了多項半導(dǎo)體行業(yè)建設(shè)政策，旨在打造國產(chǎn)先進半導(dǎo)體企業(yè)，這對第三代半導(dǎo)體的市場擴大具有積極意義。我們認為，第三代半導(dǎo)體已進入高速成長期，市場紅利正在逐步釋放，下游應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展將推動 SiC 市場的高增長，并加劇行業(yè)競爭。

2.2 新能源汽車

目前，SiC 器件在 EV/HEV 上的應(yīng)用主要包括電機驅(qū)動系統(tǒng)逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC）、電動汽車車載充電系統(tǒng)（OBC）及非車載充電樁等方面。基于 SiC 的解決方案使汽車電動系統(tǒng)效率更高、重量更輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊，盡管碳化硅器件成本較高，但它推進了電池成本的下降和續(xù)航里程的提升，降低了單車成本，無疑是新能源汽車[敏感詞]選擇。其中，SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要應(yīng)用于 OBC 與 DC/DC，SiC MOSFET 主要用于電驅(qū)動。根據(jù) WolfSpeed 預(yù)測，新能源汽車是 SIC 器件應(yīng)用增長最快的市場，預(yù)計 2022- 2026 年的市場規(guī)模從 16 億美元到 46 億美元，復(fù)合年增長率為 30%，其中到 2026 年用于電機驅(qū)動逆變器仍是 [敏感詞]市場，占比超過 80%。

電驅(qū)動系統(tǒng)一般由驅(qū)動電機、離合器、齒輪箱和差速器組成，這是純電動汽車傳動系統(tǒng)布置的常規(guī)形式。在新能源汽車中，功率器件是電驅(qū)動系統(tǒng)的主要組成部分，對其效率、功率密度和可靠性起著主導(dǎo)作用。目前，新能源汽車電驅(qū)動部分主要就硅基功率器件組成。隨著電動汽車的發(fā)展，對電驅(qū)動的小型化和輕量化提出了更高的要求。當(dāng)前，比亞迪、特斯拉等部分車型已經(jīng)使用了碳化硅功率器件的電機驅(qū)動控制器。特斯拉處在碳化硅器件應(yīng)用的前列，其[敏感詞]產(chǎn)品 Model S Plaid 便使用了以 SiC 為主要材料的電動逆變器，現(xiàn)已成為全球百米加速最快的車型。此外，特斯拉旗下的 Model Y 和 Model 3 也均采用了 SiC MOSFET 逆變器技術(shù)，其續(xù)航能力和逆變效率都有了顯著提升，且在 2020 年全球新能源乘用車車型銷量中均進入前十。比亞迪推出的“漢” EV 高性能四驅(qū)版本也配備了 SiC MOSFET 功率控制模塊，是中國[敏感詞]采用相關(guān)技術(shù)的車型。新能源汽車新秀蔚來在 2021 年發(fā)布的純電轎車中，也將會采用 SiC 模塊作為電驅(qū)動平臺。

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng) DC/DC 是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及升降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，車載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可將動力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電。基于碳化硅研制的功率器件，為氫能汽車燃料電池 DC/DC 變換器帶來革命性的創(chuàng)新。開關(guān)頻率高、功率密度大是 SiC 基功率器件最為顯著的優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)基于 IGBT 模塊變換器產(chǎn) 品，開關(guān)頻率提升 4 倍以上、功率密度提升 3 倍以上，系統(tǒng)平均效率大于 97%，[敏感詞]效率可達 99%。

車載充電機（OBC）是完成將交流電轉(zhuǎn)換為電池所需的直流電，并決定了充電功率和效率的關(guān)鍵部件。汽車由內(nèi)燃機驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡婒?qū)動，最明顯的變化就是發(fā)動機和油箱分別被電機和電池取代了，同時隨之而來的便是其它輔助器件的增加，如增加了 OBC 為電池充電。SiC SBD、SiC MOSFET 等器件可使得 OBC 的能量損耗減少、熱能管理改善。根據(jù) WolfSpeed，相較于傳統(tǒng)的硅基器件，OBC 采用碳化硅器件可使其體積減少 60%，BOM 成本將降低 15%。此外，雙向逆變技術(shù)是未來 OBC 標配的功能之一，使 OBC 不僅可將 AC 轉(zhuǎn)化為 DC 為電池充電，同時也可將電池的 DC 轉(zhuǎn)化為 AC 對外進行功率輸出；將 OBC 及 DC/DC 等器件進行功能集成化將會提高成本上、體積上的優(yōu)勢。

碳化硅材料性能上限高，與新能源車高度適配。目前，傳統(tǒng)硅材料在 MOSFET、IGBT、功率 IC 等領(lǐng)域的器件性能已經(jīng)逐漸接近極限，已無法適應(yīng)新興市場快速發(fā)展的變革需要，基于寬禁帶半導(dǎo)體 SiC 制造的功率器件具有更為優(yōu)越的物化性能。通過在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延，即可得到適用于新能源汽車、光伏、交通軌道等領(lǐng)域的功率器件。它們相較于硅基器件具有更高的工作溫度、擊穿電壓以及優(yōu)越的開關(guān)性質(zhì)，其開關(guān)頻率和功率頻率都輕易突破了傳統(tǒng)材料的上限，因此廣泛用于新能源汽車等領(lǐng)域。

在新能源汽車的應(yīng)用中，SiC 功率器件主要具有以下特點：1）顯著降低散熱器的體積和成本：在主流的HEV（混合動力汽車）中，車載逆變器的散熱器件具有兩套水冷系統(tǒng)，冷卻溫度均在 75-105 攝氏度。由于碳化硅具有的導(dǎo)熱性能幾乎為 Si 的三倍，因此在高溫環(huán)境中 SiC-SBD 具有[敏感詞]的優(yōu)勢。若將兩套冷卻系統(tǒng)合二為一，HEV 散熱器的成本和體積就可以得到有效地改善；2）減小功率模塊的體積：SiC功率器件的電流密度、開關(guān)損耗都顯著低于 Si 基器件，這使得同樣的功率下，SiC-MOSFET 和 SiC SBD 可以在 100kHz 開關(guān)頻率下工作。SiC功率器件的封裝體積顯著低于 Si-IGBT，同時高頻工作環(huán)境也能夠減少器件的成本；

3）提高系統(tǒng)效率：傳統(tǒng) Si-IGBT 的導(dǎo)通電阻較大，在開關(guān)過程中具有較大的反向電流，趨于穩(wěn)定的過程中會產(chǎn)生巨大的損耗。SiC-SBD 器件則具有優(yōu)越的正向壓降和反向電流，可以有效降低器件的損耗，從而進一步提高系統(tǒng)效率。目前，SBD 是新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用最成熟的 SiC 器件，MOSFET 在國外范圍內(nèi)也得到了初步地生產(chǎn)和應(yīng)用。實際上，SiC-SBD/MOSFET 的耐壓范圍已經(jīng)與 Si-SBD(FRD) / Si-MOSFE(IGBT)十分接近，由于耐壓范圍的全覆蓋，目前無需制作成本更高的 SiC-IGBT 器件，這也意味著碳化硅器件的性能上限要遠高于硅基器件。

新能源汽車市場日益火爆，需求釋放推動碳化硅市場快速增長。2020 年，全球新能源汽車市場銷量為 400 萬輛，其中插電混合動力 PHEV 類占比 37.50%，純電動BEV 類占比 67.50%，是當(dāng)前市場的主要品類。我們預(yù)計，2021-2025年全球新能源汽車的銷量將以 14%的 CAGR 快速增長。同時，中國已成為全球[敏感詞]的新能源汽車市場，2020 年總體銷量為 116 萬臺，占全球市場的29.00%，未來五年的 CAGR 預(yù)測為 31%。新能源汽車市場的日益火爆，極大地拉升了碳化硅市場的增長幅度。

2019 年，全球新能源汽車 IGBT 的市場規(guī)模約為 2.25 億美元，預(yù)計該數(shù)值 2025 年將為 15.53 億美元，市場將以 38%的 CAGR 快速增長。同時，新能源汽車市場的應(yīng)用也占據(jù)了碳化硅器件總市場的 41.59%，預(yù)計這一占比將于2025 年提升至 60.62%。目前，用于電機驅(qū)動逆變器的碳化硅功率器件是車用 SiC 產(chǎn)品中最主要且潛在增長空間最巨大的部分，碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)達到了批量生產(chǎn)的臨界區(qū)域，相關(guān)下游市場的大量需求正在逐步釋放。預(yù)計隨著新能源車市場滲透率的進一步擴大，以及功率模塊和相關(guān)應(yīng)用的迅速發(fā)展，碳化硅市場將在中期內(nèi)迎來爆發(fā)。

目前，全球的碳化硅廠商也在積極尋求合作，紛紛與先進新能源汽車企業(yè)簽訂協(xié)議。特斯拉 Model 3 所采用的 SiC MOSFET 功率模塊正是由意法半導(dǎo)體提供的，且后者與碳化硅領(lǐng)先企業(yè) Woifspeed 簽訂了 150mm 碳化硅晶圓擴展協(xié)議，旨在為全球的 SiC 晶圓供給加碼。此外，意法半導(dǎo)體還于 2021 年 6 月與雷諾集團達成戰(zhàn)略合作，以提供用于電動和混合動力汽車的 SiC 功率器件供應(yīng)，此舉旨在降低汽車的電池成本、增加充電里程、縮短充電時間最終使成本降低近 30%。

同時，日本先進半導(dǎo)體制造商 ROHM 也于 2021 年 9 月與吉利汽車達成合作，后者將使用 ROHM 提供的 SiC 功率器件實現(xiàn)高效的逆變效率和充電性能，從而進一步提高用戶體驗。WolfSpeed 也為鄭州宇通集團提供了 1200V 的 SiC 功率器件，后者交付的首輛電動客車采用了碳化硅解決方案。目前，全球[敏感詞]碳化硅器件制造商都紛紛與新能源車企尋求合作，以擴大自身在相關(guān)市場的領(lǐng)先地位，新能源汽車市場的快速發(fā)展必將加劇全球碳化硅企業(yè)的競爭，預(yù)計市場集中度將進一步提高。

電動電子和逆變器領(lǐng)域，據(jù) ev-sales.blog 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021 年包括插電混動、純電動、燃料電池在內(nèi)的新能源乘用車全球銷量達到了 649.54 萬輛。2021 年特斯拉全球新能源乘用車銷量為 93.62 萬輛，市占率達 14.4%，位列全球首位。其中，Model 3 銷量為 50.07 萬輛，市占率達 7.7%。特斯拉的熱門型號車型將保持對 SiC 功率器件的搭載，結(jié)合其較高的市場占有率，這將繼續(xù)推動 SiC 器件的需求高漲。車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方面，碳化硅功率器件能夠有效降低開關(guān)損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件。碳化硅器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。2020 年 12 月，豐田汽車推出并公開發(fā)售“Mirai”燃料電池電動汽車，這是豐田汽車首次使用碳化硅功率器件。預(yù)計未來五年內(nèi)，隨著碳化硅相關(guān)功率器件在新能能源汽車中的滲透率上升，碳化硅市場將會迎來更為快速的增長，我們對此抱有樂觀預(yù)期。

2.3 太陽能光伏

碳化硅物化性質(zhì)優(yōu)越，光伏原材料迭代升級。碳化硅具有較寬的帶隙，導(dǎo)熱能力近乎達到了硅原料的 3 倍，在太陽能光伏領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。與傳統(tǒng)的 Si 材料相比，SiC 具有極高的擊穿電壓和較低的導(dǎo)通電阻，因而其功率器件擁有更好的開關(guān)效率并且能高效地進行熱量積累。碳化硅制造的高電壓 MOSFET 具有優(yōu)越的開關(guān)性能，其功能不受溫度影響，由此能很好地在升溫系統(tǒng)中保持穩(wěn)定效力。此外，SiC MOSFET 也可以在具備高轉(zhuǎn)換頻率的同時，擁有 99%以上的逆變效率。因此，SiC 可以廣泛應(yīng)用于太陽能光伏功率器件，主要包括光伏逆變器、控制器、功率模組等。盡管碳化硅器件具有較高的制造成本，但其高導(dǎo)熱率、高擊穿電場、低損耗等特性，都使得光伏系統(tǒng)效率更高，從而進一步降低成本。無論從光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的材料制造看，還是從下游應(yīng)用的高效能看，碳化硅都具有無與倫比的高效能。預(yù)計中長期內(nèi)，碳化硅將會成為太陽能光伏領(lǐng)域功率器件的主要制造原料，同時帶動產(chǎn)業(yè)鏈整體實現(xiàn)迭代升級。

光伏新能源市場發(fā)展空間廣闊，碳化硅材料仍有較大潛在空間。2018年我國能源消費中煤炭消費占比高達 59%，風(fēng)光等優(yōu)質(zhì)能源消費占比僅 4%。而根據(jù)“十四五”規(guī)劃要求，2025 年要實現(xiàn)單位 GDP 能源消耗降低 13.5%，光伏等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間廣闊。2020 年，全球光伏能源需求為 130GW，樂觀情況下預(yù)計 2025 年該項指標將到達 330GW，以 20.48%的 CAGR 快速增長。即使在保守情況下，全球光伏需求也將以 15.74%的 CAGR 提升，預(yù)計 2025 年實現(xiàn) 270GW 的廣泛需求。

同時，2019年全球太陽能光伏碳化硅 IGBT 市場規(guī)模約為 1.25 億美元，未來五年內(nèi)將以 17%的 CAGR 快速增長，預(yù)計 2025 年將到達 3.14 億美元。目前，全球的光伏IGBT 市場規(guī)模約為 23 億元，碳化硅器件占比約為 35%，該滲透率仍將繼續(xù)增長。我們認為，隨著全球光伏需求的進一步增長，以及碳化硅 IGBT 器件滲透率的不斷提高，表現(xiàn)強勢的太陽能光伏市場將持續(xù)拉升對碳化硅的需求，并進一步推動碳化硅功率器件市場的快速增長，碳化硅材料增長潛在空間仍然巨大。

光伏功率器件性能顯著，諸多領(lǐng)先廠商紛紛加碼。在光伏太陽能領(lǐng)域中，以硅為原料制作的逆變器成本約為系統(tǒng)總體的 10%，但卻是能量損耗的來源之一。然而，以碳化硅為基礎(chǔ)的 MOSFET 和功率模組可以將光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率從提高至 99%以上，能量損耗可以減少 50%以上，設(shè)備壽命提高 50 倍左右。目前，國外領(lǐng) 先碳化硅功率器件廠商意法半導(dǎo)體、ROHM 都已實現(xiàn)了 MOSFET 器件的量產(chǎn)，并將廣泛應(yīng)用于光伏太陽能領(lǐng)域。同時，國際[敏感詞]半導(dǎo)體器件制造商 Onsemi已推出了適用于光伏逆變器的 SiC 功率模組，該模組集成了 1200V 40m的 MOSFET 和升壓二極管，將較好地提升逆變器的性能效率。

[敏感詞]太陽能和光伏組件制造商 Tainergy Tech 也已成立相關(guān)子公司，專門生產(chǎn)用于 GaN 外延的 SiC 襯底，并且致力于實現(xiàn)碳化硅對自身業(yè)務(wù)發(fā)展的良好推動。國內(nèi)方面，三安集成也已完成 SiC 器件的量產(chǎn)平臺打造，其首發(fā)產(chǎn)品 1200V 80m碳化硅 MOSFET 已實現(xiàn)了一系列性能和可靠性測試，可應(yīng)用于光伏系統(tǒng)組成。此外，露笑科技和斯達半導(dǎo)體也積極投入碳化硅器件生產(chǎn)，并廣泛布局光伏業(yè)務(wù)。目前，無論是領(lǐng)先的半導(dǎo)體器件制造商，還是先進的太陽能光伏組件企業(yè)，都積極投入碳化硅IGBT，并使其廣泛應(yīng)用于光伏領(lǐng)域。我們預(yù)計，未來五年內(nèi)碳化硅功率器件將更為廣泛地應(yīng)用于光伏市場，后者亦將為 SiC 器件帶來至少 15%以上的快速增長。

2.4 充電基礎(chǔ)設(shè)施

中國累計充電樁數(shù)量創(chuàng)新高，車樁比例趨向合理。截止 2021 年 7 月，中國累計充電樁數(shù)量約為 201 萬臺，同比增長 20%，近六年 CAGR 為 76.69%，整體呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。目前，新能源汽車充電樁分為公共、專用和私人用類，還可以分為交流充電和直流充電兩類。2020年我國主要以私人和交流充電樁為主，兩者分別占比 57.45%和 61.67%，是碳化硅器件的主要應(yīng)用方向。然而，我國充電樁數(shù)量仍然低于 480 萬的預(yù)期規(guī)劃，供不應(yīng)求仍將推動充電樁數(shù)量迅速增長，從而創(chuàng)造巨大的市場需求并推動行業(yè)增長。

同時，2015-2020 年中國系能源汽車和充電樁比例不斷下降，從 6.36 收窄至 2.93，充電樁供應(yīng)迅速提高。盡管充電配套設(shè)施整體有所改善，但仍然低于比例為 1 的預(yù)期目標，市場仍具有較大的增長空間。基于 IEA 預(yù)測，預(yù)計 2025年全球充電樁保有量將達到 4580-6500 萬個，私人充電樁預(yù)計為 3970-5670 萬個，公共充電樁保有量約為 610-830 萬個，整體數(shù) 量迅速增長且仍以私人充電類型為主。與此相適應(yīng)的，預(yù)計 2025 年中國新能源汽車保有量將突破 2500 萬輛，則充電樁數(shù)量推算約為 800 萬個，復(fù)合增長率將達到 41.42%左右，市場預(yù)期狀況良好。因此，我們認為中國以及全球的充電樁需求仍存在較大的增長空間，車樁比例仍將進一步趨近合理化，從而推動碳化硅市場的發(fā)展。

充電樁市場增長迅速，碳化硅器件助力充電樁性能升級。2019 年中國新能源汽車充電樁市場需求規(guī)模約為 540 億元，同比增長 29%。預(yù)計 2025 年，中國充電樁市場將以 28.27%的 CAGR 達到 2400 億元，成長潛力十分巨大。實際上，SiC MOSFET 和二極管產(chǎn)品具有耐高壓、耐高溫、開關(guān)頻率快的特性，可以很好地用于充電樁模塊。與傳統(tǒng)硅基期間相比，碳化硅模塊可以增加充電樁近 30%的輸出功率，并且減少損耗高達 50% 左右。同時，碳化硅器件還能夠增強充電樁的穩(wěn)定性，減小器件系統(tǒng)體積，降低成本并進一步增加碳化硅 IGBT 器件在充電樁市場的滲透率。目前，新能源汽車充電樁中碳化硅器件的滲透率僅為 10%左右，仍然具有很大的潛在發(fā)展空間。2019 年，全球充電樁碳化硅器件市場規(guī)模約為 5 百萬美元，預(yù)計 2025 年將增長至 2.55 億美元，未來六年 CAGR 高達 90%，增長十分迅速。預(yù)計隨著碳化硅期間滲透率的提高，充電樁需求的持續(xù) 上漲，配套設(shè)施的進一步完善，全球充電樁碳化硅器件市場仍將持續(xù)增長，從而引起碳化硅市場的高度火熱。

羅姆等碳化硅器件領(lǐng)先企業(yè)進入充電樁市場，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)進一步加速。目前，ROHM 已經(jīng)推出了基于碳化硅的充電基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，從而應(yīng)用于高效和小型化的大功率充電樁。首先，針對單向充電樁羅姆提出使用 FRD、SiC MOS 和 SBD 的解決方案，可以很好地提高功率密度和充電效率。ROHM 通過高耐壓的 1200V 碳化硅 MOSFET 來削減器件個數(shù)，從而進一步降低充電樁的體積。其次，針對雙向充電樁羅姆提出了三相 B6-PFC 拓撲方案，通過使用 1200V 的 SiC MOSFET 和全碳化硅功率模塊，制造具備多功能的小型充電樁。此外，安森美也在開發(fā)用于直流充電樁的碳化硅功率器件和模塊，希望構(gòu)建更高功率的充電方式，并通過 AC-DC 和 DC-DC 級的升壓轉(zhuǎn)換器提高充電效率。由此可見，碳化硅器件龍頭都在進行充電樁技術(shù)模塊的研發(fā)，英飛凌、WolfSpeed、STM 等公司都在積極進入碳化硅充電樁市場。預(yù)計未來，充電樁市場將會迎來更多的發(fā) 展機遇，領(lǐng)先企業(yè)將發(fā)揮龍頭效應(yīng)，與政府機構(gòu)積極合作，構(gòu)建更完好的充電樁生態(tài)系統(tǒng)。（報告來源：未來智庫）

三、供給：短期產(chǎn)業(yè)鏈受限襯底產(chǎn)能，長期產(chǎn)能擴張帶來價格下降

3.1 碳化硅襯底制備存在多重挑戰(zhàn)，位于產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)

國際上 6 英寸 SiC 襯底產(chǎn)品實現(xiàn)商用化，未來占據(jù)市場份額主流地位。目前，全球市場上 6 英寸 SiC 襯底已實現(xiàn)商業(yè)化，且在未來幾年里 6 英寸襯底將占據(jù)市場主要份額。此外，主流大廠也陸續(xù)推出 8 英寸樣品，微管密度達到 0.62，預(yù)計 5 年內(nèi) 8 英寸將全面商用。當(dāng)前，WolfSpeed 公司能夠批量供應(yīng) 4 英寸至 6 英寸導(dǎo) 電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開始建設(shè) 8 英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線。2021 年 7 月，意法半導(dǎo)體就宣布其可制造出首批 8 英寸 SiC 晶圓片。隨著碳化硅基電子電力器件的逐步推廣與應(yīng)用，大直徑襯底可以有效降低器件制備成本，以 6 英寸襯底為例，使用直徑 150mm 的襯底相較于 4 英寸的襯底能夠節(jié)省 30%的器件制備成本。

碳化硅襯底制備面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)，降低結(jié)晶缺陷密度技術(shù)使得制備成本增加。碳化硅襯底制備主要有以下技術(shù)難點：

（1）碳化硅襯底制備過程中，碳化硅單晶的制備對于溫度場設(shè)計要求較高。適宜的溫度場是制備碳化硅單晶的基礎(chǔ)，不適宜的溫度場極易導(dǎo)致單晶開裂等問題。此外，隨著碳化硅襯底直徑的增加，溫度場的設(shè)計及實現(xiàn)難度也在增加。（2）降低結(jié)晶缺陷密度。襯底中結(jié)晶缺陷（如：微管、穿透性螺位錯（TSD）、基平面位錯（BPD））會對器件造成負面影響。由于碳化硅較高的生長溫度，為降低結(jié)晶缺陷密度，傳統(tǒng)的工藝條件（如掩膜法）已經(jīng)不能滿足低結(jié)晶缺陷密度單晶的生長，勢必需要導(dǎo)入新工藝，增加工藝復(fù)雜性，這會推高單晶成本。因此，需要投入較長的時間及較大的物料成本研發(fā)新工藝，較長的研發(fā)周期可能會阻礙襯底單位面積成本的下降，且隨著單晶生長厚度的增加，單晶殘余內(nèi)應(yīng)力迅速增加，這會導(dǎo)致單晶結(jié)晶質(zhì)量下降甚至導(dǎo)致單晶開裂等問題，如何有效兼顧單晶可用厚度及單晶結(jié)晶質(zhì)量存在較大難度。

當(dāng)前，國內(nèi)廠商碳化硅襯底生產(chǎn)的技術(shù)指標與國際主流廠商相比仍有明顯差距。襯底主要的三個幾何參數(shù) 為 TTV（總厚度偏差）、Bow（彎曲度）及 Wrap（翹曲度），國內(nèi)廠商與國外領(lǐng)先廠商仍存在明顯差距。此外，產(chǎn)品的一致性問題是難以攻克的短板，國產(chǎn)襯底目前較難進入主流供應(yīng)鏈。具體來說，國產(chǎn)襯底技術(shù)短板以及一致性問題主要包含兩個方面：（1）由于國內(nèi)廠商起步相對較晚，在材料匹配、設(shè)備精度和熱場控制等技術(shù)角度需要長時間的專門知識累積；（2）國內(nèi)廠商的客戶較少且比較分散，客戶的反饋速度更慢，反饋內(nèi)容不徹底。相比較起來，WolfSpeed 的產(chǎn)品線覆蓋襯底、外延、器件乃至模組，后端反饋充分且及時。因此，國內(nèi)廠商的技術(shù)差距直接導(dǎo)致襯底綜合性能較差，無法用于要求更高的產(chǎn)線中；一致性問則表示優(yōu)質(zhì)襯底比例較低，直接導(dǎo)致襯底的成本大幅上升，上述兩點導(dǎo)致國內(nèi)廠商制造的襯底還無法進入主流供應(yīng)鏈。

3.2 碳化硅外延處于產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，受制于碳化硅襯底技術(shù)缺陷

當(dāng)前外延主要以 4 英寸及 6 英寸為主，大尺寸碳化硅外延片占比逐年遞增。碳化硅外延尺寸主要受制于碳化硅襯底尺寸，當(dāng)前 6 英寸碳化硅襯底已經(jīng)實現(xiàn)商用，因此碳化硅襯底外延也逐漸從 4 英寸向 6 英寸過渡。在未來幾年里，大尺寸碳化硅外延片占比會逐年遞增。由于 4 英寸碳化硅襯底及外延的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，因此， 4 英寸碳化硅外延晶片已不存在供給短缺的問題，其未來降價空間有限。此外，雖然當(dāng)前國際先進廠商已經(jīng)研發(fā)出 8 英寸碳化硅襯底，但其進入碳化硅功率器件制造市場將是一個漫長的過程，隨著 8 英寸碳化硅外延技術(shù) 的逐漸成熟，未來可能會出現(xiàn) 8 英寸碳化硅功率器件生產(chǎn)線。

碳化硅外延主要解決外延晶片均勻性控制和外延缺陷控制兩大問題。（1）外延晶片均勻性控制方面，由于外延片尺寸的增大往往會伴隨外延晶片均勻性的下降，因此大尺寸外延晶片均勻性的控制是提高器件良率和可靠性、進而降低成本的關(guān)鍵。（2）外延缺陷控制問題。基晶面位錯（BPD）是影響碳化硅雙極型功率器件穩(wěn)定性的一個重要結(jié)晶缺陷，不斷降低 BPD 密度是外延生長技術(shù)發(fā)展的主要方向。由于物理氣象傳輸法（PVT）制備碳化硅襯底的 BPD 密度較高，外延層中對器件有害的 BPD 多來自于襯底中的 BPD 向外延層的貫穿。因此，提高襯底結(jié)晶質(zhì)量可有效降低外延層 BPD 位錯密度。隨著碳化硅器件的不斷應(yīng)用，器件尺寸及通流能力不斷增加，對結(jié)晶缺陷密度的要求也不斷增加，在未來技術(shù)的進步下，碳化硅外延片結(jié)晶缺陷密度會隨之不斷下降。

3.3 碳化硅功率器件制備存在技術(shù)難點，國外廠商先行

碳化硅中高壓功率二極管商業(yè)化產(chǎn)品逐年增多，主要以碳化硅 SBD 和結(jié)勢壘型 JBS 器件為主。2020 年，國際上有超過 20 家公司量產(chǎn)碳化硅二極管系列產(chǎn)品，擊穿電壓主要分布在 600V-3300V，根據(jù) Mouser 數(shù)據(jù)顯示，2020 年共有約 800 款碳化硅 SBD 產(chǎn)品在售，較 2019 年新增 122 款，中高壓商業(yè)化產(chǎn)品逐年增多。碳化硅 SBD 器件當(dāng)前在專利設(shè)計方面幾乎沒有壁壘，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)如派恩杰已經(jīng)開始第六代碳化硅 SBD 的研發(fā)，與國外差距較小。而碳化硅 SBD 器件制造產(chǎn)線方面，國內(nèi)外差距較為明顯，國內(nèi)碳化硅 SBD 制造產(chǎn)線多數(shù)處于剛通線的狀態(tài)，還需經(jīng)歷產(chǎn)能爬坡等階段，離大規(guī)模穩(wěn)定量產(chǎn)還有一定距離。

當(dāng)前，碳化硅 MOSFET 制備技術(shù)要求較高，碳化硅 MOSFET 采用溝槽結(jié)構(gòu)可[敏感詞]限度地發(fā)揮 SiC 的特性，柵級氧化物形成技術(shù)挑戰(zhàn)較高。平面 SiC MOSFET 的缺陷密度較高，MOSFET 溝道中電子散射降低溝道電子遷移率從而使得性能下降，即溝道電阻上升、功率損耗上升而溝道電流下降。由于 SiC MOSFET 的 N+源區(qū)和 P 井摻雜都是采用離子注入的方式，在 1700℃溫度中進行退火激活，一個關(guān)鍵的工藝是 SiC MOSFET 柵氧化物的形成，而碳化硅材料中同時有 Si 和 C 兩種原子存在，因此需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。

碳化硅 MOSFET 質(zhì)量不斷改善推動產(chǎn)品商業(yè)化。自 2010 年以來，碳化硅功率 MOSFET 在汽車、光伏及鐵路等多個市場取代硅技術(shù)，科瑞公司于 2011 年推出了市場上[敏感詞]個垂直 N 溝道增強型碳化硅功率 MOSFET，碳化硅 MOSFET 市場規(guī)模不斷擴大。當(dāng)前，碳化硅 MOSFET 的質(zhì)量不斷改善，已基本達到業(yè)界使用的要求。以市售的 1200V 碳化硅 MOSFET 為例，其溝道遷移率已經(jīng)提高到適當(dāng)水平，多數(shù)主流工業(yè)設(shè)計的氧化物壽命達到了可接受的水平，閾值電壓變得越來越穩(wěn)定。因此，在碳化硅 MOSFET 質(zhì)量不斷改善的激勵下，目前其商用在不斷推進，市場上有多家供應(yīng)商可以供應(yīng)生產(chǎn)水平量的碳化硅 MOSFET。

碳化硅 MOSFET 國外廠商已實現(xiàn)量產(chǎn)，MOSFET 穩(wěn)定性需要時間驗證。目前英飛凌、ST、羅姆等國際大廠 600-1700V 碳化硅 SBD、MOSFET 均已實現(xiàn)量產(chǎn)，而國內(nèi)所有碳化硅 MOSFET 器件制造平臺仍在搭建中，部分公司的產(chǎn)線仍處于計劃階段，離正式量產(chǎn)還有很長一段距離。同時，[敏感詞]的 Gen 4 Trench SiC MOSFET 專利被國外公司掌握，未來可能存在專利方面的問題。產(chǎn)線方面 WolfSpeed、英飛凌等已開始布局 8 英寸線，而國內(nèi)廠商還在往 6 英寸線過渡。此外，碳化硅 MOSFET 的產(chǎn)品穩(wěn)定性需要時間驗證。根據(jù)英飛凌 2020 年功率半導(dǎo)體應(yīng) 用大會上專家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的時間還非常短，在車載領(lǐng)域才剛開始商用（Model 3 中率先使用了 SiC MOS 的功率模塊），一些諸如短路耐受時間等技術(shù)指標沒有提供足夠多的驗證，SiC MOSFET 在車載和工控等領(lǐng)域驗證自己的穩(wěn)定性和壽命等指標需要較長時間。

3.4 碳化硅襯底迎來產(chǎn)能爆發(fā)期，未來價格有望下降

近年來，全球發(fā)達國家及中國不斷推出相關(guān)政策支持第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，2002 年2019 年，美國共計出臺了 23 項第三代半導(dǎo)體相關(guān)的規(guī)劃政策，總投入經(jīng)費超過 22 億美元。2020 年全年，雖然美國并未正式出臺相關(guān)政策，但本年度相關(guān)提案涉及的經(jīng)費超過 480 億美元。2020 年，歐盟 24 個國家中有 17 個國家聯(lián)合發(fā)布了《歐洲處理器和半導(dǎo)體科技計劃聯(lián)合聲明》，宣布了未來 2-3 年內(nèi)對半導(dǎo)體領(lǐng)域的投入將達到 1450 億歐元。韓國于 2020 年 6 月，拋出萬億韓元半導(dǎo)體振興計劃，從 2020 年到 2029 年在系統(tǒng)級芯片（SoC）領(lǐng)域投資總計 1 萬億韓元（約 59 億元人民幣）。日本大力鞏固第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢，日本經(jīng)產(chǎn) 省準備資助日企和大學(xué)圍繞 GaN 材料部署研發(fā)項目，預(yù)計 2021 年將撥款 2030 萬美元，未來 5 年斥資 8560 萬美元。我國自 2015 年發(fā)布《中國制造 2025》規(guī)劃以來，近五年不斷推出相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，大力支持國內(nèi)第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展。

在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的政策支持和行業(yè)快速發(fā)展刺激下，國內(nèi)廠商開始布局碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈。當(dāng)前，在國內(nèi) 政策支持和行業(yè)發(fā)展吸引下，國內(nèi)諸多企業(yè)開始進入第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈制造中，如露笑科技、三安光電、天通股份等上市公司均已公告進入碳化硅領(lǐng)域；斯達半導(dǎo)在今年 3 月宣布加碼車規(guī)級 SiC 模組產(chǎn)線；而比亞迪半導(dǎo)體、聞泰科技、華潤微等也有從事 SiC 器件業(yè)務(wù)。此外，天科合達、山東天岳等國內(nèi)廠商也都走在擴產(chǎn)路上。2021 年 8 月，山東天岳子公司上海天岳總投資 25 億元計劃建設(shè)碳化硅半導(dǎo)體材料項目開工，在達產(chǎn)年將形成年產(chǎn)導(dǎo)電型碳化硅晶錠 2.6 塊，對應(yīng)襯底產(chǎn)品 30 萬片的產(chǎn)能。項目計劃于 2022 年試生產(chǎn)，預(yù)計 2026 年 100% 達產(chǎn)，其中 6 英寸半絕緣型襯底預(yù)計在 2023 年形成量產(chǎn)。湖南三安半導(dǎo)體基地一期項目于 2021 年正式投產(chǎn)，該項目將打造國內(nèi)首條、全球第三條碳化硅全產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線，項目全面建成投產(chǎn)后，月產(chǎn)能將達到 3 萬片 6 英寸碳化硅晶圓。

隨著碳化硅襯底制備技術(shù)的提升及產(chǎn)能擴張，碳化硅襯底及外延單位面積價格或?qū)⑾陆怠Ｄ壳爸髁鲝S商均有能力制備低微管密度襯底（<1/cm2），TSD、BPD 密度的降低將會成為襯底廠商研發(fā)工作的重點，因此預(yù)計襯底中的 TSD 及 BPD 密度將會不斷下降。此外，隨著襯底直徑不斷擴大、單晶可用厚度不斷增加，單位面積襯底成本將不斷降低。伴隨大直徑襯底占比不斷提高，襯底單位面積生長成本下降，以直徑 150mm 單晶與直徑 100mm 單晶為例作比較，150mm生長成本大約為 100mm 的 1.5-2 倍，可用面積卻是 100mm 的 2.25 倍。

當(dāng)前單晶可用厚度在不斷增加，以直徑 100mm 單晶為例，2015 年前大部分單晶廠商制備單晶平均可用厚度在 15mm 左右， 2017 年底已經(jīng)達到 20mm 左右，預(yù)期單晶的平均可用厚度仍會持續(xù)增加。據(jù)半導(dǎo)體時代產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心（TD）預(yù) 測，在 2020 年至 2025年期間，碳化硅晶片在半導(dǎo)體領(lǐng)域出貨量的復(fù)合增長率將達到 43.8%，到 2025 年還將達到 80 萬片，可大規(guī)模應(yīng)用于電動汽車等領(lǐng)域，碳化硅襯底價格有望下降。碳化硅襯底是碳化硅外延的主要成本來源，未來單位面積價格有望下降。在外延價格構(gòu)成中，襯底占據(jù)了外延 50%以上的成本，隨著襯底價格下降，碳化硅外延價格也有望降低。碳化硅外延的成本構(gòu)成還包括設(shè)備、廠務(wù)和人工成本部分，隨著設(shè)備的改進，此類成本也將降低。隨著客戶對外延質(zhì)量要求的提高，研發(fā)和良率損失部分成本也將保持在 7%左右。

碳化硅電力電子器件價格進一步下降，與同類型 Si 器件價差縮小。當(dāng)前碳化硅器件成本約為硅的 4-5 倍，而器件的主要成本來源是碳化硅襯底，在上游襯底材料商紛紛擴產(chǎn)后，未來 2-3年碳化硅襯底供應(yīng)加大，襯底價格下降有望帶動碳化硅器件的成本下降。以汽車級碳化硅 MOSFET 器件為例，由于使用碳化硅 MOSFET 器件可以大幅提高汽車性能，目前是新能源汽車電機控制器、車載電源器件制備的[敏感詞]，但受制于碳化硅襯底產(chǎn) 能的影響當(dāng)前價格較高。2020 年受疫情影響，產(chǎn)品供貨周期延長，但從全年情況來看，碳化硅器件有所下降，與傳統(tǒng)產(chǎn)品的價差持續(xù)縮小。

SiC SBD 產(chǎn)品價格略有下降，降幅較前兩年有所收窄。根據(jù) CASA 中 Mouser 數(shù) 據(jù)顯示，650V 的碳化硅 SBD 年底均價較 2019 年底下降了 13.2%，1200V 的碳化硅 SBD 均價 2020 年較 2019 年下降了 8.6%，與硅器件的差距在 4.5 倍左右。SiC MOSFET 降價明顯，與硅器件價差收窄到 2.5~3 倍之間。根據(jù) CASA 中的 Mouser 數(shù)據(jù)，650V、900V、1200V、1700V 的 SiC MOSFET 在 2020 年底的平均價格分別同比下降了 13%、2%、27.62%、33.4%。而從實際成交價格來看，650V、1200V 的 SiC MOSFET 價格較 2019 年下降幅度達 30%-40%，與 Si 器件價差也縮小至 2.5~3 倍之間。因此，隨著 6 英寸晶圓不斷擴產(chǎn)形成規(guī)模經(jīng)濟后，碳化硅 MOSFET 的價格有望下降。

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