?第三代半導(dǎo)體之碳化硅行業(yè)分析報(bào)告

隨著國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略”的推進(jìn)，新能源產(chǎn)業(yè)和電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了對(duì)功率轉(zhuǎn)換裝置如太陽(yáng)能逆變器，電動(dòng)汽車充電樁，車載充電器和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等的巨大需求，半導(dǎo)體功率器件是上述各種功率轉(zhuǎn)換裝置的核心。而碳化硅（SiC）材料具有耐高溫和高壓的特點(diǎn)，基于SiC的器件還具有高開關(guān)頻率和低靜態(tài)功耗，在高電壓和大電流的領(lǐng)域，SiC都被認(rèn)為是將取代硅成為功率器件的主流材料。

一、?碳化硅技術(shù)的發(fā)展

1.1后摩爾時(shí)代的第三代半導(dǎo)體

半導(dǎo)體材料目前已經(jīng)發(fā)展至第三代。傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體由于自身物理性能不足以及受限于摩爾定律，逐漸不適應(yīng)于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展需求，砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體也因而誕生。從技術(shù)來(lái)看，半導(dǎo)體材料目前已發(fā)展了三代。 第一代半導(dǎo)體材料以傳統(tǒng)的硅（Si）和鍺（Ge）為代表，是集成電路制造的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測(cè)器中，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的； 第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和磷化鎵（GaP）為代表，相對(duì)硅基器件具有高頻、高速的光電性能，廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域； 第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等新興材料為代表。

圖?1 半導(dǎo)體發(fā)展路線

相較前兩代半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體物理性能相對(duì)更出色，有望在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)前兩代全面替代。在禁帶寬度、介電常數(shù)、導(dǎo)熱率及最高工作溫度等方面，碳化硅、氮化鎵性能更為出色，在5G通信、新能源汽車、光伏等領(lǐng)域，頭部企業(yè)逐步使用第三代半導(dǎo)體。在高壓、高頻、高溫領(lǐng)域以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體襯底材料市場(chǎng)規(guī)模有望迎來(lái)快速發(fā)展機(jī)遇，待成本下降有望實(shí)現(xiàn)全面替代。 ? 表?1 第三代半導(dǎo)體簡(jiǎn)介（左）和各代半導(dǎo)體物理性能對(duì)比（右）

1.2SiC是第三代半導(dǎo)體材料的代表

第三代半導(dǎo)體經(jīng)典的應(yīng)用是碳化硅。本報(bào)告也主要側(cè)重對(duì)碳化硅的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹和分析。 碳化硅是由美國(guó)人艾奇遜在1891年電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物，當(dāng)時(shí)誤認(rèn)為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來(lái)了工業(yè)冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說(shuō)的艾奇遜爐，一直沿用至今。自碳化硅被發(fā)現(xiàn)后數(shù)十年，發(fā)展進(jìn)程一直較為緩慢。直到科銳（即Cree，現(xiàn)更名為Wolfspeed）成立并開始碳化硅的商業(yè)化，碳化硅行業(yè)在此后25年開始進(jìn)入快速發(fā)展階段。 碳化硅具有眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，寬禁帶特性有助于提高碳化硅器件的穩(wěn)定性，使其具備良好的耐高溫性、耐高壓性和抗輻射性，顯著提升器件功率密度，從而利于系統(tǒng)散熱與終端小型輕便化；高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度特性有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，使其具備耐高壓性和低能耗性，利于器件薄化的同時(shí)提高系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力；高飽和電子漂移速率特性意味著較低的電阻，顯著降低能量損失，簡(jiǎn)化周邊被動(dòng)器件，大幅提升開關(guān)頻率同時(shí)提高整機(jī)效率。 ? 表2碳化硅技術(shù)優(yōu)勢(shì)

基于以上特性，以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方面更加具有優(yōu)勢(shì)：（1）更強(qiáng)的高壓特性。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。（2）更好的高溫特性。碳化硅相較硅擁有更高的熱導(dǎo)率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來(lái)功率密度的顯著提升，同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。（3）更低的能量損耗。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，大幅提高實(shí)際應(yīng)用的開關(guān)頻率。 根據(jù)ROHM的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET導(dǎo)通電阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。對(duì)于相同規(guī)格的逆變器來(lái)說(shuō)，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系統(tǒng)總能量損失小于1/4。 ?

1.3SiC的分類

根據(jù)襯底材料的不同，碳化硅主要可以分為半絕緣型和導(dǎo)電型，兩類襯底的主要區(qū)別是電化學(xué)性能不同，這兩類襯底經(jīng)外延生長(zhǎng)后分明用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。 導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。 ? 表3碳化硅的分類

二、碳化硅市場(chǎng)規(guī)模與價(jià)值鏈

2.1碳化硅總體市場(chǎng)規(guī)模

2027年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模有望突破60億美元。根據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2027年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模由2021年的10.90億美元增至62.97億美元，2021-2027年每年以34%年均復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。 第三代半導(dǎo)體材料滲透率逐年提升，2023年有望接近5%。根據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，Si仍是半導(dǎo)體材料主流，占比95%。第三代半導(dǎo)體滲透率逐年上升，SiC滲透率在2023年有望達(dá)到3.75%，GaN滲透率在2023年達(dá)到1.0%，第三代半導(dǎo)體滲透率總計(jì)4.75%。

圖2全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（單位：百萬(wàn)美元）（左）和2017-2023年全球主要半導(dǎo)體材料滲透率及預(yù)測(cè)（右） ?

2.2碳化硅價(jià)值鏈

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、器件制造、封測(cè)等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)得到外延片。外延片經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經(jīng)過(guò)封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

圖?3 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈 以襯底和外延為核心，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈路徑明確。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈分為襯底、外延、器件和應(yīng)用四部分。其中，襯底、外延、前段、研發(fā)費(fèi)用和其他分別在碳化硅器件制造成本中占比47%，23%，19%，6%，5%。

圖?4 2021年碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈制造成本占比圖（左）和碳化硅產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈（右） 傳統(tǒng)的硅基器件和碳化硅器件在成本分布上有較大不同，這也改變了產(chǎn)業(yè)鏈上不同參與方的價(jià)值分配。對(duì)于硅基器件來(lái)說(shuō)，晶圓制造占據(jù)50%的成本，硅片襯底僅占據(jù)7%的成本，碳化硅器件上游襯底和外延價(jià)值量凸顯。

圖?5 碳化硅器件成本分布（左）和硅基器件的成本結(jié)構(gòu)（右）

2.3襯底

（1）襯底制備工藝 襯底（substrate）是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)行外延工藝加工生產(chǎn)外延片。 目前主流制造碳化硅襯底的方式是物理氣相傳輸法（PVT法），在高溫真空環(huán)境下將粉料升華，通過(guò)溫場(chǎng)的控制在籽晶表面生長(zhǎng)出碳化硅晶體。主要工序涉及原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環(huán)節(jié)。 ? ?

圖?6 碳化硅襯底制作工藝流程（左）和物理氣相傳輸法生產(chǎn)碳化硅晶體（右） （2）襯底市場(chǎng)概況 2020-2025年全球SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模CAGR超30%。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2020年半絕緣型SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模為10.62億美元，預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至28.39億美元，CAGR約21.7%。2020年導(dǎo)電型SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模為7.31億美元，預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至44.67億美元，CAGR約43.6%。 襯底占據(jù)碳化硅產(chǎn)業(yè)的主要價(jià)值量，但國(guó)內(nèi)廠商占比低。SiC襯底占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈主要價(jià)值量，占比47%，雖然預(yù)期未來(lái)隨著產(chǎn)能擴(kuò)張和良率提升，有望降至30%。目前大部分市場(chǎng)份額均在海外廠商手中。以2020年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場(chǎng)為例，Wolfspeed一家獨(dú)占了62%的市場(chǎng)份額，CR3高達(dá)89%，國(guó)內(nèi)份額最大的企業(yè)天科合達(dá)僅占4%。

圖?7 2020年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市占率 （3）襯底市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局 目前碳化硅襯底市場(chǎng)以海外廠商為主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)企業(yè)市場(chǎng)份額較小。碳化硅襯底產(chǎn)品的制造涉及設(shè)備研制、原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶體切割、晶片加工、清洗檢測(cè)等諸多環(huán)節(jié)，需要長(zhǎng)期的工藝技術(shù)積累，存在較高的技術(shù)及人才壁壘。 根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院援引Yole數(shù)據(jù)，2020年上半年，碳化硅襯底市場(chǎng)（半絕緣和導(dǎo)電型）Wolfspeed市占率達(dá)到45%以上，國(guó)內(nèi)龍頭天科合達(dá)和山東天岳的合計(jì)市場(chǎng)份額不到10%。山東天岳、爍科晶體（中電科孵化）、河北同光（中科院半導(dǎo)體所孵化）現(xiàn)有主要產(chǎn)品為高純半絕緣襯底，而天科合達(dá)（中科院物理所孵化）、世紀(jì)金光主要產(chǎn)品為導(dǎo)電型襯底。? 海通證券認(rèn)為，隨著國(guó)內(nèi)襯底產(chǎn)品日益成熟、擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)度逐漸加速，中國(guó)襯底廠商有望重塑行業(yè)格局，未來(lái)在碳化硅襯底環(huán)節(jié)占領(lǐng)一席之地。 （4）襯底制造難點(diǎn) 碳化硅襯底之所以產(chǎn)能受限，價(jià)格昂貴，主要原因是碳化硅襯底工藝復(fù)雜，制作難度大。碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的化合物半導(dǎo)體單晶材料。目前行業(yè)內(nèi)主要以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅粉，在特殊溫場(chǎng)下，采用成熟的物理氣相傳輸法（PVT法），在晶體生長(zhǎng)爐中生長(zhǎng)不同尺寸的碳化硅晶錠，最后經(jīng)過(guò)加工、切割、研磨、拋光、清洗等多道工序產(chǎn)出碳化硅襯底。 穩(wěn)定量產(chǎn)性能穩(wěn)定的高品質(zhì)碳化硅晶片的技術(shù)難點(diǎn)有：1）由于晶體需要在2000℃以上的高溫密閉環(huán)境生長(zhǎng)，對(duì)控溫要求極高；2）由于碳化硅存在200多種晶體結(jié)構(gòu)，但只有少數(shù)幾種結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才是所需的半導(dǎo)體材料，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)；3）氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長(zhǎng)的擴(kuò)徑技術(shù)難度極大；4）在長(zhǎng)晶完后，由于碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大。 上述技術(shù)難點(diǎn)造成了碳化硅生產(chǎn)過(guò)程中良率較低。良率主要由2個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：（1）晶棒良品率=半導(dǎo)體級(jí)晶棒產(chǎn)量/（半導(dǎo)體級(jí)晶棒產(chǎn)量+非半導(dǎo)體級(jí)晶棒產(chǎn)量）×100%；（2）襯底良品率=合格襯底產(chǎn)量/（合格襯底產(chǎn)量+不合格襯底產(chǎn)量）×100%。一方面。碳化硅的晶型多達(dá)200多種，而想要生成所需要的單一晶型（主流為4H晶型），需要非常精確的控制。另一方面，SiC襯底作為莫氏硬度達(dá)9.2的高硬度脆性材料，加工過(guò)程中存在易開裂問(wèn)題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問(wèn)題。英飛凌為了提高產(chǎn)量，就曾在2018年收購(gòu)了SiC晶圓切割領(lǐng)域的新銳公司Siltectra。 據(jù)目前國(guó)內(nèi)主要的碳化硅襯底制造商天岳先進(jìn)的招股書披露，2018-2020年和2021年H1公司的晶棒良率分別為41%、38.57%、50.73%和49.90%，襯底良率分別為72.61%、75.15%、70.44%和75.47%，綜合良率目前大約為37.7% ? 、

圖?8 碳化硅切割良率痛點(diǎn)（左）和天岳先進(jìn)良率（右） ? （5）碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)趨勢(shì) ①　襯底產(chǎn)能向大尺寸轉(zhuǎn)移 當(dāng)前國(guó)際主流尺寸為6英寸，目前碳化硅襯底的尺寸正在不斷增大，正在向8英寸邁進(jìn)。自從1991年第一塊商用碳化硅襯底誕生，目前全球主要廠商的襯底尺寸已達(dá)到6英寸。而全球碳化硅領(lǐng)域龍頭CREE公司（現(xiàn)更名為Wolf speed）已于2015年推出了8英寸碳化硅襯底，并于2022年4月宣布其位于美國(guó)紐約州莫霍克谷（Mohawk Valley）的全球最大8英寸碳化硅制造設(shè)施正式開業(yè)。

圖?9 CREE 公司（現(xiàn)更名Wolf Speed）公司碳化硅襯底尺寸演進(jìn) 單片襯底面積的增長(zhǎng)有利于制造成本的下降，同時(shí)器件制造過(guò)程中襯底邊緣的浪費(fèi)也將下降。根據(jù)Wolf speed數(shù)據(jù)，一片6英寸碳化硅襯底可以產(chǎn)出448顆die，邊緣損失為14%；而一片8英寸碳化硅襯底可產(chǎn)出845顆die，邊緣損失下降至7%，襯底利用率更高。 ?

圖?10 碳化硅襯底尺寸升級(jí)后邊緣更低 ? 國(guó)內(nèi)尺寸迭代較海外廠商略慢一籌，但近年來(lái)發(fā)展提速明顯。山西爍科為首家宣布可制備8英寸SiC襯底。2021年8月，山西爍科研制出8英寸碳化硅晶體。2022年1月，公司實(shí)現(xiàn)8英寸N型碳化硅拋光片小批量生產(chǎn)。?截至2022年11月，晶盛機(jī)電、天岳先進(jìn)、天科合達(dá)分別宣布掌握8英寸碳化硅襯底制備技術(shù)。

圖?11 晶盛機(jī)電和爍科晶體的8英寸碳化硅襯底

表 4海內(nèi)外廠商8英寸碳化硅襯底進(jìn)展

②　目前襯底需求缺口較大，但產(chǎn)能在持續(xù)擴(kuò)張，價(jià)格將逐漸走低 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全球碳化硅晶圓產(chǎn)能約為40-60萬(wàn)片，有效產(chǎn)能僅20-30萬(wàn)片，其中，新能源汽車和光伏占碳化硅市場(chǎng)77%，相比碳化硅晶圓需求，存在巨大的供給缺口。預(yù)計(jì)2025年，全球6英寸碳化硅晶圓產(chǎn)能預(yù)測(cè)約242萬(wàn)片，全球6英寸碳化硅晶圓需求保守預(yù)測(cè)約為365萬(wàn)片，其中車用碳化硅晶圓需求占比約60%，光伏、儲(chǔ)能等代表行業(yè)碳化硅晶圓需求占比約40%，仍存在123萬(wàn)片的供給缺口。面對(duì)下游應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)張和客戶國(guó)產(chǎn)化需求的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)正在積極布局?jǐn)U產(chǎn)應(yīng)對(duì)。 據(jù)CASAResearch整理，國(guó)際龍頭紛紛大力完善產(chǎn)業(yè)布局，強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，持續(xù)加大襯底產(chǎn)能的擴(kuò)張。據(jù)各公司官網(wǎng)披露，Wolfspeed投資近10億美元進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2017-2024間整體產(chǎn)能，將擴(kuò)大30倍；ROHM計(jì)劃在2017年-2024，年間產(chǎn)能擴(kuò)充16倍；II-VI計(jì)劃5年內(nèi)產(chǎn)能擴(kuò)充5-10倍。根據(jù)Yole，全球半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)出貨量（折算為4英寸）將由2020年的16.56萬(wàn)片增長(zhǎng)至2025年的43.84萬(wàn)片，年復(fù)合增長(zhǎng)率為21.50%。 ? ?

圖?12 wolf speed產(chǎn)能釋放計(jì)劃 就國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在建的碳化硅外延項(xiàng)目，對(duì) 6 英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底拋光片的需求量累計(jì)每年超過(guò) 150?萬(wàn)片。同全球的情況一樣，也面臨供需不匹配的問(wèn)題，因此，襯底以及下游外延片的產(chǎn)能也在持續(xù)擴(kuò)張。天岳先進(jìn)投資20億元建設(shè)上?！疤蓟璋雽?dǎo)體材料項(xiàng)目”，聚焦于6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底材料生產(chǎn)，計(jì)劃于2026年達(dá)產(chǎn)且達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能為30萬(wàn)片/年，目前，天岳先進(jìn)已獲得13.93億元的導(dǎo)電型碳化硅襯底合同訂單。露笑科技募集資金約25.67億元投資碳化硅項(xiàng)目，計(jì)劃達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能為24萬(wàn)片/年，目前，露笑科技已獲得超15萬(wàn)片襯底需求。 ? ? ? 表?5 全球主要碳化硅襯底廠商產(chǎn)能規(guī)劃

隨著產(chǎn)能的擴(kuò)張，半絕緣型及導(dǎo)電型襯底的單價(jià)會(huì)逐年遞減，海通證券預(yù)計(jì)隨著全球產(chǎn)能擴(kuò)張逐步落地，未來(lái)3年內(nèi)襯底單價(jià)將會(huì)繼續(xù)下降，從而有助于加速碳化硅下游滲透率整體提升。另?yè)?jù)CASA預(yù)測(cè)，隨著SiC上游襯底、外延價(jià)格下降，預(yù)計(jì)SiC二極管和SiCMOSFET等器件的價(jià)格每年以超過(guò)10%的速度下降，并逐步取代Si器件。

圖?13 SIC襯底價(jià)格（RMB/c㎡）發(fā)展趨勢(shì)（左）和 SIC外延價(jià)格（RMB/c㎡）發(fā)展趨勢(shì)（右） ? ③　國(guó)內(nèi)外襯底技術(shù)差距依然明顯，但差距正在縮小 ? 國(guó)內(nèi)襯底產(chǎn)品在材料端良率、產(chǎn)能、襯底尺寸、器件代數(shù)上相比于國(guó)外仍存在一定差距，但是近幾年國(guó)內(nèi)工藝飛速發(fā)展，在具體參數(shù)上的差距正在縮小。 ? 表?6 國(guó)內(nèi)外碳化硅技術(shù)、產(chǎn)能總體差距對(duì)比

表?7國(guó)內(nèi)6寸導(dǎo)電型碳化硅合格品參數(shù)與海外龍頭對(duì)比

2.4外延

（1）外延概況 碳化硅外延片，是指在原有碳化硅襯底上生長(zhǎng)了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。外延生長(zhǎng)主要使用CVD（ChemicalVapor Deposition，化學(xué)氣相沉積）設(shè)備或者M(jìn)BE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）設(shè)備。

圖14基本半導(dǎo)體外延技術(shù)

由于碳化硅器件是直接在外延層制造，外延質(zhì)量的好壞直接影響了器件的性能和良率。碳化硅外延材料的最基本的參數(shù)，也是最關(guān)鍵的參數(shù)，就是厚度和摻雜濃度。隨著器件需求耐壓性能的不斷提高，對(duì)應(yīng)的外延層厚度就越厚，控制難度也就越高。一般電壓在600V左右時(shí)，所需要的外延層厚度約在6微米左右；電壓在1200-1700V之間時(shí)，所需要的外延層厚度就達(dá)到10-15微米。如果電壓達(dá)到一萬(wàn)伏以上時(shí)，可能就需要100微米以上的外延層厚度。而隨著外延層厚度的不斷增加，對(duì)厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發(fā)困難。

表?8 SiC 外延關(guān)鍵參數(shù)表

（2）外延制備難點(diǎn)：控制缺陷 控制碳化硅外延缺陷是制備高性能器件的關(guān)鍵，缺陷會(huì)對(duì)碳化硅功率器件的性能和可靠性有嚴(yán)重影響。TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會(huì)引發(fā)器件性能的退化。堆垛層錯(cuò)、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷，一旦出現(xiàn)在器件上，器件就會(huì)測(cè)試失敗，導(dǎo)致良率降低。 ? 表?9 SiC外延缺陷時(shí)對(duì)器件的影響

（3）外延市場(chǎng)概況 目前外延設(shè)備主要為國(guó)外所壟斷，中國(guó)企業(yè)在4英寸和6英寸上開始布局。外延設(shè)備被行業(yè)四大龍頭企業(yè)Axitron、LPE、TEL和Nuflare所壟斷，中國(guó)SiC外延技術(shù)發(fā)展起步較晚，難以進(jìn)入技術(shù)壁壘較高的外延設(shè)備領(lǐng)域，故以外延晶片生產(chǎn)為主要切入方向。目前，碳化硅外延晶片市場(chǎng)呈現(xiàn)出雙寡頭壟斷格局，海外廠商占據(jù)主要市場(chǎng)。 根據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，2020年全球碳化硅外延市場(chǎng)中，Wolfspeed占52%，ShowaDenko占43%，CR2共占95%。中國(guó)廠商相較于海外廠商在外延晶片生產(chǎn)技術(shù)上稍有落后，目前中國(guó)SiC外延晶片主要產(chǎn)線均為4英寸和6英寸。

圖15 2020年全球碳化硅外延晶片市占率

2.5器件

（1）碳化硅器件概況 碳化硅器件是通過(guò)CVD在碳化硅襯底上疊層外延膜，經(jīng)過(guò)清洗、氧化、光刻、刻蝕、去光阻、離子注入、化學(xué)氣相沉積沉淀氮化硅、拋光、濺鍍、后加工等步驟后在SiC單晶基板上形成元件結(jié)構(gòu)所得。其中，SiC功率器件主要包括SiC二極管、SiC晶體管和SiC功率模塊。 受制于上游材料生產(chǎn)速度慢、良品率低等原因，碳化硅器件具有較高制造成本。此外，碳化硅器件制造具有一定技術(shù)難度： 1）需要開發(fā)與碳化硅材料特性吻合的特定工藝，如：SiC具有高熔點(diǎn)使傳統(tǒng)熱擴(kuò)散失效，需要采用離子注入摻雜法，并精準(zhǔn)控制溫度、升溫速率、持續(xù)時(shí)間、氣體流量等參數(shù)；SiC對(duì)化學(xué)溶劑具有惰性，應(yīng)采用干刻蝕等方法，并優(yōu)化和開發(fā)掩膜材料、氣體混合物、側(cè)壁斜率的控制、蝕刻速率、側(cè)壁粗糙度等； 2）碳化硅晶片上金屬電極的制造要求接觸電阻低于10-5Ω2，符合要求的電極材料Ni和Al在100℃以上時(shí)具有較差熱穩(wěn)定性，但具有較好熱穩(wěn)定性的Al/Ni/W/Au復(fù)合電極材料接觸比電阻高10-3Ω2； 3）SiC切割磨損高，SiC硬度僅次于金剛石，對(duì)切割、研磨、拋光等技術(shù)提出了更高的要求。

圖16碳化硅器件生產(chǎn)流程圖（左）和碳化硅器件分類（右） （2）碳化硅器件市場(chǎng)概況 隨著技術(shù)突破和成本的下降，SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模正在快速上升。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2017年和2021年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模分別約3.11億和9.14億美元，復(fù)合增速約31%，預(yù)計(jì)2023年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約15.82億美元。從市場(chǎng)占有率來(lái)看，SiC功率器件全球主要的市場(chǎng)份額主要掌握在STM、Wolfspeed、Rohm、Infineon、Onsemi等行業(yè)龍頭手中，CR5達(dá)91%。 因?yàn)镾iC器件對(duì)穩(wěn)定性要求較高，需要較長(zhǎng)的驗(yàn)證周期，因此中國(guó)廠商切入進(jìn)程較慢，還未形成一定規(guī)模的市占率，但存在國(guó)產(chǎn)廠商如士蘭微、斯達(dá)、華潤(rùn)微、安世等已實(shí)現(xiàn)器件規(guī)模生產(chǎn)并在功率MOSFET、IGBT單管、IGBT模塊等部分領(lǐng)域躋身全球前十。隨著上游襯底和外延的不斷突破，下游器件廠商同樣存在超車機(jī)會(huì)。 ?

圖17全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)趨勢(shì)（左）和2020年全球碳化硅功率器件市占率情況（右） （3）碳化硅器件適用領(lǐng)域 ①　高壓高功率領(lǐng)域 在高壓高功率領(lǐng)域，碳化硅功率器件性能強(qiáng)勁，替代優(yōu)勢(shì)明顯。功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的處理、轉(zhuǎn)換和控制，主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，根據(jù)科銳和應(yīng)用材料公司官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，相較于硅基功率器件，碳化硅基MOSFET尺寸可以減少為同電壓硅基MOSFET的十分之一，能量損耗可以減少為同開關(guān)頻率硅基IGBT的30%。

圖182021-2027年SiCk功率器件市場(chǎng)預(yù)測(cè)（左）和SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域（右）

②　新能源車領(lǐng)域

電動(dòng)車領(lǐng)域新應(yīng)用不斷出現(xiàn)，汽車廠商也積極啟用碳化硅戰(zhàn)略。電動(dòng)汽車行業(yè)是市場(chǎng)空間巨大的新興市場(chǎng)，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)功率半導(dǎo)體器件需求量日益增加。目前碳化硅功率器件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）和非車載充電樁的使用已經(jīng)比較普遍。 Cree預(yù)測(cè)SiC逆變器能夠提升電動(dòng)車5-10%的續(xù)航，并節(jié)省400-800美元的電池成本（80kWh電池、102美元/kWh），與新增200美元的SiC器件成本抵消后，能夠?qū)崿F(xiàn)至少200美元的單車成本下降。2021年特斯拉Model3的主逆變器率先采用24個(gè)碳化硅MOSFET功率模塊，比亞迪也迅速跟進(jìn)，在漢EV上搭載了自主研發(fā)的SiC功率模塊。充電樁產(chǎn)品由于成本的原因，目前使用比例還相對(duì)較低，但部分廠商已開始利用碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)降低冷卻等系統(tǒng)的整體成本找到了利基市場(chǎng)。

圖19電動(dòng)車中使用的主要功率器件即對(duì)應(yīng)零部件（左）和主逆變器中碳化硅的使用（右） 新能源車銷量持續(xù)提升，碳化硅市場(chǎng)空間廣闊。伴隨著各地政府補(bǔ)貼、退稅等政策扶持以及不斷改進(jìn)完善的充電基礎(chǔ)設(shè)施，全球新能源汽車的銷量和占比均在持續(xù)上升，2021年新能源車銷售650萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)109%，占比全球汽車銷售總量為9%，預(yù)計(jì)到2025年，新能源汽車銷量將超過(guò)2100萬(wàn)輛，其中，新能源汽車領(lǐng)域碳化硅滲透率有望超20%。而隨著新能源汽車銷量的增長(zhǎng)和碳化硅功率器件對(duì)碳化硅晶圓的需求也在不斷提高，據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2025年，全球電動(dòng)車市場(chǎng)對(duì)6英寸碳化硅晶圓的需求為169萬(wàn)片。 ?

圖20全球新能源車銷量（左）和車用碳化硅市場(chǎng)規(guī)模（右） ③　光電儲(chǔ)能領(lǐng)域 光電儲(chǔ)能領(lǐng)域中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明確，碳化硅器件滲透率快速提升。光伏、風(fēng)電和儲(chǔ)能逆變器曾普遍采用硅器件，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率和功率密度等已接近理論極限。基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來(lái)源之一。碳化硅器件可應(yīng)用于風(fēng)電整流器、逆變器、變壓器，降低能損和提高效率的同時(shí)可以使得質(zhì)量和成本分別減少25%和50%?；谔蓟鐼OSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，有利于縮小系統(tǒng)體積、提高功率密度、延長(zhǎng)器件使用壽命、降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。預(yù)計(jì)在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里，碳化硅器件會(huì)逐步替代硅器件。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，全球光伏逆變器的出貨量從2017年的119.2千兆瓦增加至2021年的210.4千兆瓦，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為15%。預(yù)計(jì)2022年全球光伏逆變器的出貨量將達(dá)到256.7千兆瓦。據(jù)CASA數(shù)據(jù)，在光伏逆變器中，碳化硅器件的滲透率有望由2020年的10%，快速提升至2025年的50%，并在2048年達(dá)到85%。

圖21全球光伏逆變器中碳化硅器件占比預(yù)測(cè)（左）和全球光伏逆變器出貨量（右）

三、?主要競(jìng)爭(zhēng)廠商

目前整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈依舊以海外廠商為主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中的襯底、外延以及器件所占市場(chǎng)份額都比較小。但隨著國(guó)內(nèi)襯底產(chǎn)品日益成熟、擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)度逐漸加速，中國(guó)廠商有望重塑行業(yè)格局，未來(lái)在碳化硅各個(gè)環(huán)節(jié)占領(lǐng)一席之地。

3.1主要襯底廠商

（1）Wolf speed Wolf speed是全球最大SiC襯底供應(yīng)商，此外其還打造了IDM全產(chǎn)業(yè)鏈模式，也是SiC功率器件和SiC基氮化鎵射頻功率解決方案的主要供應(yīng)商之一。產(chǎn)品圍繞第三代半導(dǎo)體SiC和GaN布局，包括SiC和GaN材料、功率器件、射頻器件等，整體形成了從材料到器件的IDM+全產(chǎn)業(yè)鏈模式。 Wolf speed公司的前身為Cree公司，2019年3月，Cree公司宣布將照明產(chǎn)品業(yè)務(wù)部CreeLighting出售給家族企業(yè)IDEALINDUSTRIES，Cree Lighting包括商業(yè)應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用及消費(fèi)者用LED照明燈具、光源和照明解決方案業(yè)務(wù)。Cree完成照明和LED業(yè)務(wù)的出售后，完全轉(zhuǎn)型為一家專注于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品的公司。2021年10月，公司名稱從Cree,Inc.更改為Wolf speed，Wolf speed擁有從襯底到器件的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，是全球SiC行業(yè)的龍頭。 Wolfspeed注重加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同，形成了一定的產(chǎn)業(yè)集群和壁壘。Wolfspeed與大眾汽車合作，成為FAST項(xiàng)目SiC獨(dú)家合作伙伴；與德爾福合作，開展汽車SiC器件研究；與ABB合作，推動(dòng)SiC器件進(jìn)入電力、機(jī)車牽引、新能源汽車領(lǐng)域；與宇通合作，推動(dòng)SiC在大巴車的應(yīng)用。 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)方面，Wolfspeed是SiC MOSFET、肖特基二極管和功率模塊的全球領(lǐng)導(dǎo)者。分立SiC MOSFET可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率并減小電感器、電容器、濾波器和變壓器等組件的尺寸；SiC肖特基二極管采用MPS（合并PiN肖特基）設(shè)計(jì)，比標(biāo)準(zhǔn)肖特基勢(shì)壘二極管更穩(wěn)健可靠；SiC功率模塊方面能提供從SiC材料到封裝的垂直整合優(yōu)勢(shì)。目前正在紐約馬西建造世界上最大的SiC制造廠，將顯著提高 SiC和 GaN 業(yè)務(wù)的產(chǎn)能。 ?

圖?22 2020年導(dǎo)電型襯底市占率（左）和Wolfspeed營(yíng)收（百萬(wàn)美元）及增速（右） ? （2）天岳先進(jìn) 天岳先進(jìn)是國(guó)內(nèi)半絕緣型SiC襯底絕對(duì)龍頭公司，也是全球第三大半絕緣型SiC襯底企業(yè)。公司成立于2010年，主營(yíng)業(yè)務(wù)是寬禁帶半導(dǎo)體（第三代半導(dǎo)體）碳化硅襯底材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品可應(yīng)用于微波電子、電力電子等領(lǐng)域。公司主要產(chǎn)品包括半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底。公司已掌握涵蓋了設(shè)備設(shè)計(jì)、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、粉料合成、晶體生長(zhǎng)、襯底加工等環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，自主研發(fā)了不同尺寸半絕緣型及導(dǎo)電型碳化硅襯底制備技術(shù)。2019年及2020年公司已躋身半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)的世界前三。 目前，公司除半絕緣型碳化硅襯底外，導(dǎo)電型碳化硅襯底材料也已形成小批量銷售。公司臨港工廠募投一期項(xiàng)目于2021年開工，預(yù)計(jì)于2022年三季度實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)，2026年達(dá)到30萬(wàn)片/年設(shè)計(jì)產(chǎn)能，主要生產(chǎn)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底。2022年4月，公司披露通過(guò)16949車規(guī)認(rèn)證。

圖?23 天岳先進(jìn)襯底研發(fā)歷程（左）和2018-2025E年全球及天岳先進(jìn)絕緣性SiC襯底銷量預(yù)測(cè)（萬(wàn)片）（右）） 2021H1天岳先進(jìn)絕大部分營(yíng)收來(lái)自于半絕緣型襯底。在2021年上半年天岳先進(jìn)營(yíng)收構(gòu)成中，半絕緣型襯底占比高達(dá)77%，導(dǎo)電型襯底占比可以忽略不計(jì)。2022年7月，公司公告宣布與特定客戶簽訂合同，于2023-2025年向該客戶銷售6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底，銷售額達(dá)13.93億元。此次合同的簽訂證明公司在導(dǎo)電型襯底技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，未來(lái)導(dǎo)電型襯底收入占比有望迎來(lái)快速提升。 ? （3）天科合達(dá) 公司自2006 年成立以來(lái)，一直專注于碳化硅晶體生長(zhǎng)和晶片生產(chǎn)領(lǐng)域。先后研制出 2 英寸、3 英寸、4 英寸碳化硅襯底，于 2014 年在國(guó)內(nèi)首次研制出 6 英寸碳化硅晶片，并已形成規(guī)模化生產(chǎn)能力，工藝技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。公司已具備成熟的 6 英寸晶片制備技術(shù)并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化供應(yīng)，8 英寸產(chǎn)品仍在研發(fā)階段。2021年12月，公司披露通過(guò)16949車規(guī)認(rèn)證。

圖?24 天科合達(dá)SiC研發(fā)歷史 據(jù)Yole Development統(tǒng)計(jì)，2018年天科合達(dá)導(dǎo)電型襯底在全球市場(chǎng)的占有率為1.7%，排名全球第六、國(guó)內(nèi)第一。因此天科合達(dá)主要專攻導(dǎo)電型襯底。天科合達(dá)主要營(yíng)收來(lái)自于SiC晶片的生產(chǎn)和SiC單晶爐銷售。天科合達(dá)48%的營(yíng)業(yè)收入來(lái)自于SiC晶片，15%來(lái)自于SiC單晶生長(zhǎng)爐，有80%以上來(lái)自于SiC相關(guān)產(chǎn)品。

圖?25 2018年導(dǎo)電型SiC襯底天科合達(dá)全球第六（左）和2019年天科合達(dá)主營(yíng)構(gòu)成（右） （4）晶盛機(jī)電 晶盛機(jī)電是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的高新技術(shù)企業(yè)，專注于“先進(jìn)材料、先進(jìn)裝備”，以“打造半導(dǎo)體材料裝備領(lǐng)先企業(yè)，發(fā)展綠色智能高科技制造產(chǎn)業(yè)”為使命。公司多年深耕半導(dǎo)體材料和裝備技術(shù)與工藝，經(jīng)過(guò)多年技術(shù)沉淀逐步形成了先進(jìn)材料、先進(jìn)裝備雙引擎可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略定位，圍繞硅、藍(lán)寶石、碳化硅三大主要半導(dǎo)體材料開發(fā)出一系列關(guān)鍵設(shè)備，并延伸到碳化硅襯底材料領(lǐng)域。 晶盛機(jī)電經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，成功生長(zhǎng)出8英寸SiC襯底。公司通過(guò)自有籽晶經(jīng)過(guò)多輪擴(kuò)徑，成功生長(zhǎng)出8英寸N型碳化硅晶體，解決了8英寸碳化硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中溫場(chǎng)不均，晶體開裂、氣相原料分布等難點(diǎn)問(wèn)題，破解了碳化硅器件成本中襯底材料占比過(guò)高的難題，為大尺寸碳化硅襯底的廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。 公司從2017年開始布局碳化硅業(yè)務(wù)，到2020年建立長(zhǎng)晶和加工中試線，SiC晶體直徑也從最初的4英寸增大到如今的8英寸，進(jìn)一步縮小國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距，保障我國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)在關(guān)鍵核心技術(shù)上的自主可控。

圖?26 晶盛機(jī)電成功研發(fā)8英寸SIC晶體 ?

3.2主要外延廠商

（1）東莞天域 天域(TYSiC)成立于2009年，是中國(guó)第一家從事碳化硅(SiC)外延晶片市場(chǎng)營(yíng)銷、研發(fā)和制造的民營(yíng)企業(yè)。2010年，天域與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作，共同創(chuàng)建了碳化硅研究所。其生產(chǎn)出來(lái)的低缺陷、高均勻性6英寸外延片達(dá)到了全球領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)。東莞天域在外延制造技術(shù)上位于領(lǐng)先位置，具有低缺陷、高度均勻性6英寸4HSiC外延生長(zhǎng)技術(shù)。密度小于0.2每平方厘米、可用面積大于98%、BPD小于0.1每平方厘米。外延層載流子濃度均勻性小于2%、外延層厚度均勻性小于1%。天域是國(guó)內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)6英寸外延晶片量產(chǎn)的公司，目前正在布局積極發(fā)展8英寸SiC外延片系列產(chǎn)品批量生產(chǎn)。 ?

圖?27 東莞天域6英寸SiC外延低缺陷密度（左）和6英寸SiC外延高度均勻（右） 公司產(chǎn)品類型涵蓋單極型與雙極型、中低壓及超高壓全系列規(guī)格。為全球客戶提供n-型和p-型摻雜外延材料、制作肖特基二極管、JFET、BJT、MOSFET，GTO和IGBT等。普遍應(yīng)用包括：電源/PFC、光伏、新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)及充電樁、風(fēng)能、高鐵、智能電網(wǎng)及船舶等領(lǐng)域。 ? （2）瀚天天成 瀚天天成是我國(guó)第一大SiC半導(dǎo)體純外延晶片生產(chǎn)商，也是國(guó)內(nèi)首家提供商業(yè)化6英寸SiC外延晶片生產(chǎn)商。目前可提供標(biāo)準(zhǔn)的3英寸、4英寸和6英寸碳化硅外延晶片，用于肖特基二極管（SBD）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和雙極結(jié)型晶體管（BJT）的制作。這些電力電子器件可廣泛應(yīng)用于包括太陽(yáng)能逆變器、風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車等綠色能源和節(jié)能系統(tǒng)。 目前瀚天天成碳化硅產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目已安裝28條產(chǎn)線，預(yù)計(jì)年底增加至50條產(chǎn)線。2022年預(yù)計(jì)銷售11萬(wàn)片左右6英寸碳化硅外延晶片產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值約11億元。2023年全部達(dá)產(chǎn)后，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值約24億元。該項(xiàng)目將極大地促進(jìn)上游的碳化硅襯底生長(zhǎng)加工企業(yè)和下游的碳化硅器件制造企業(yè)的快速發(fā)展，形成完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈， ? 表?10 瀚天天成部分碳化硅項(xiàng)目建設(shè)情況

3.3主要器件廠商

（1）海外龍頭—英飛凌 英飛凌作為歐洲老牌半導(dǎo)體企業(yè)，是功率器件龍頭企業(yè)，多年來(lái)持續(xù)發(fā)力SiC器件。自1992年開始研發(fā)SiC功率器件，并不斷推出SiC領(lǐng)域相關(guān)新器件。2020年SiC功率器件市場(chǎng)中，英飛凌以13.3%的市場(chǎng)份額位列全球市場(chǎng)第四位。 英飛凌積極布局產(chǎn)業(yè)鏈，與上下游相關(guān)企業(yè)達(dá)成合作意向。與Wolfspeed(Cree)簽訂1億美元合同，鎖定6英寸SiC晶圓；與GTAT簽訂5年期SiC晶棒供應(yīng)協(xié)議；收購(gòu)賽普拉斯，成為全球第一大車用半導(dǎo)體供應(yīng)商；與大眾汽車集團(tuán)合作，成為FSAT項(xiàng)目合作伙伴。 在產(chǎn)品方面，英飛凌憑借更高功率密度，更加小巧、輕便的設(shè)計(jì)，在電源管理及射頻領(lǐng)域搶占市場(chǎng)先機(jī)。目前公司的硅產(chǎn)品包括低壓 MOS、高壓 MOS，以及 IGBT 等。2018 年英飛凌收購(gòu)了初創(chuàng)公司 Siltectra的冷切割創(chuàng)新技術(shù)，可使單片晶圓產(chǎn)出的芯片數(shù)量翻倍。在中低功率SiC 器件方面，2020 年英飛凌在 1200V 系列基礎(chǔ)上，發(fā)布了 TO-247 封裝的 650V CoolSiC MOSFET，進(jìn)一步完善了產(chǎn)品組合。 ?

圖?28 英飛凌SIC產(chǎn)品發(fā)展路線（左）1700VSiCMOSFETb比1500硅MOSFET提高效率2.5% （2）海外龍頭—羅姆 羅姆成立于1958年，是全球知名的半導(dǎo)體廠商，也是SiC器件市場(chǎng)市場(chǎng)份額占比前三的國(guó)外傳統(tǒng)功率龍頭公司。通過(guò)在日本國(guó)內(nèi)外工廠投建新廠房和更新制造設(shè)備等舉措，致力于不斷增強(qiáng)產(chǎn)能。 羅姆于2019年推出的經(jīng)典SiC器件產(chǎn)品SiCMOSFET，其中“SCT3xxxxxHR系列”共10個(gè)型號(hào)，該系列產(chǎn)品支持汽車電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC_x0002_Q101，而且產(chǎn)品陣容豐富，擁有13個(gè)機(jī)型。 目前羅姆公司針對(duì)SiC主驅(qū)逆變器應(yīng)用研發(fā)了最新一代的SiC器件，具有業(yè)界頂尖的RonA，現(xiàn)在已經(jīng)有了樣品，即將推向市場(chǎng)，目前已有多家客戶正進(jìn)行評(píng)估。在封裝方面，羅姆支持雙面散熱模塊，支持銀燒結(jié)技術(shù)，對(duì)可靠性和散熱方面都有非常好的改善。另外，羅姆作為少數(shù)幾家IDM模式廠商之一，具備襯底、外延、器件、模塊垂直一體化布局，正著力開發(fā)8英寸SiC產(chǎn)品

圖?29 羅姆的產(chǎn)品及下游應(yīng)用 ? （3）時(shí)代電氣 時(shí)代電氣主要從事軌道交通裝備產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、銷售并提供相關(guān)服務(wù)，在軌交裝備行業(yè)具有領(lǐng)導(dǎo)地位，擁有“器件+系統(tǒng)+整機(jī)”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，同時(shí)公司還積極布局了功率半導(dǎo)體器件、工業(yè)變流產(chǎn)品、新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)、傳感器件、海工裝備等領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，公司產(chǎn)品布局覆蓋 IGBT 及FRD 模塊、SiC 芯片及器件、整流管及晶閘管產(chǎn)品線，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括光伏、軌交、電網(wǎng)、新能源汽車等領(lǐng)域，其中在軌交電網(wǎng)領(lǐng)域公司 2021 年 IGBT 交付量為全國(guó)第一。 時(shí)代電氣SiC領(lǐng)域布局國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。時(shí)代自2011年起便與中科院微電子所合作布局碳化硅，自主研發(fā)掌握了具有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MOSFET芯片及SBD芯片。當(dāng)前公司產(chǎn)品主要包括SBD芯片及器件、MOSFET芯片及器件、SiC模塊三大產(chǎn)品線，電壓范圍覆蓋650V-3300V，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于光伏、軌交、電網(wǎng)、新能源汽車、充電樁等領(lǐng)域。2021年12月，公司發(fā)布了國(guó)內(nèi)首款基于自主SiC大功率電驅(qū)產(chǎn)品C-Power220s，系統(tǒng)最高效率可達(dá)94%，能夠適配高端車型，具有功率密度高、系統(tǒng)損耗少、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。 表?11 時(shí)代電氣SiC領(lǐng)域產(chǎn)品情況介紹

公司目前已經(jīng)構(gòu)建了具有全套特色先進(jìn)SiC工藝技術(shù)的4英寸和6英寸平臺(tái)，并繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)提升。2022年4月公司發(fā)布公告，將投資4.6億元升級(jí)SiC產(chǎn)線，項(xiàng)目建成后，公司現(xiàn)有的平面柵SiCMOSFET芯片技術(shù)能力將提升至滿足溝槽柵SiCMOSFET的研發(fā)，現(xiàn)有的4英寸SiC芯片線年1萬(wàn)片/年的能力提升到6英寸SiC芯片線2.5萬(wàn)片/年。 （4）斯達(dá)半導(dǎo) 斯達(dá)半導(dǎo)成立于2005年，是國(guó)內(nèi)IGBT模塊的龍頭企業(yè)，主要從事以IGBT為主的功率半導(dǎo)體芯片和模塊的設(shè)計(jì)、研發(fā)生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括工控與電機(jī)節(jié)能、新能源、變頻白色家電及其他領(lǐng)域。在工控與電機(jī)節(jié)能領(lǐng)域，公司產(chǎn)品在變頻器、逆變焊機(jī)和UPS上有所應(yīng)用；在新能源領(lǐng)域，公司產(chǎn)品應(yīng)用于風(fēng)機(jī)逆變器、太陽(yáng)能逆變器、汽車驅(qū)動(dòng)；在其他領(lǐng)域，公司產(chǎn)品應(yīng)用于機(jī)車牽引、智能電網(wǎng)、艦船電氣化、變頻家電等。當(dāng)前公司是國(guó)內(nèi)新能源汽車、光伏及風(fēng)電逆變器、頭部變頻企業(yè)IGBT模塊的主要供應(yīng)商。 公司在IGBT的技術(shù)基礎(chǔ)上不斷發(fā)展以SiC和主的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件關(guān)鍵技術(shù)。斯達(dá)作為國(guó)內(nèi)車規(guī)級(jí)SiC模塊的重要供應(yīng)商，車規(guī)級(jí)SiC模塊已獲得了國(guó)內(nèi)外多家車企和Tier1的項(xiàng)目定點(diǎn)，有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。截至2021年9月8日，公司已經(jīng)獲得總金額超3.4億元的車規(guī)級(jí)SiCMOSFET模塊訂單，交貨期在2022-2023年。2021年公司通過(guò)非公開發(fā)行A股募集資金投資5億元于SiC芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，該項(xiàng)目建設(shè)周期為3年，將專注于開展SiC功率芯片和產(chǎn)業(yè)化，加快公司在SiC芯片上的技術(shù)突破，搶占國(guó)產(chǎn)替代機(jī)會(huì)下的市場(chǎng)份額，提升公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力。該項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，公司將形成年產(chǎn)6萬(wàn)片6英寸SiC芯片的生產(chǎn)能力，進(jìn)一步為公司SiC領(lǐng)域布局加碼。

四、?總結(jié)

隨著新能源產(chǎn)業(yè)和電動(dòng)汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，對(duì)于功率器件的需求也在快速崛起。隨著半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體受限于摩爾定律，逐漸不適應(yīng)于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展需求，而第三代半導(dǎo)體因其優(yōu)越杰出的材料性能，相較前兩代半導(dǎo)體更適用于高壓、高溫場(chǎng)景，且能耗更低，SiC則是第三代半導(dǎo)體的經(jīng)典應(yīng)用。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，碳化硅材料的制備技術(shù)日臻成熟，逐漸迎來(lái)了應(yīng)用的黃金期。 ? 由于碳化硅成本高昂和制備工藝復(fù)雜，目前階段，碳化硅器件在全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的滲透率較低，預(yù)計(jì)到2023年仍然不足4%，但在未來(lái)幾年，碳化硅功率器件將以34%年均復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)，迎來(lái)碳化硅市場(chǎng)的爆發(fā)。預(yù)計(jì)到2027年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模有望突破60億美元。 ? 總體來(lái)說(shuō)，碳化硅產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈比較清晰，主要包括襯底、外延、器件和應(yīng)用，其中作為基礎(chǔ)材料的襯底和外延占據(jù)了制造成本中的70%，這與傳統(tǒng)硅基器件中晶圓制造占一半以上的成本上有著極大不同。碳化硅器件上游襯底和外延價(jià)值量凸顯，也讓許多廠商紛紛布局這兩個(gè)環(huán)節(jié)。 ? 就襯底而言，國(guó)內(nèi)外廠商市場(chǎng)占比極不均勻，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅳ、SiCrystal等三家海外廠商就占據(jù)了全球89%的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)市場(chǎng)份額較小。其主要原因是襯底制備工藝復(fù)雜、技術(shù)要求較高，在長(zhǎng)晶、切割等方面良率提升困難，國(guó)內(nèi)廠商技術(shù)積累不足，雖然已經(jīng)有天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等國(guó)內(nèi)廠商在技術(shù)上進(jìn)行追趕，但是想要重塑行業(yè)格局尚需一定時(shí)日。 ? 隨著技術(shù)的發(fā)展，全球襯底產(chǎn)能逐漸向大尺寸轉(zhuǎn)移，Wolf speed已經(jīng)實(shí)現(xiàn)8英寸碳化硅襯底的量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)尺寸迭代較海外廠商略慢一籌，但是晶盛機(jī)電、天岳先進(jìn)等廠商也宣布掌握了8英寸碳化硅襯底制備技術(shù)。與此同時(shí)，面對(duì)當(dāng)前碳化硅供不應(yīng)求的狀況，海內(nèi)外廠商紛紛布局?jǐn)U產(chǎn)，在產(chǎn)能上來(lái)之后，預(yù)計(jì)碳化硅價(jià)格將迎來(lái)一定程度的下降，國(guó)內(nèi)襯底產(chǎn)品與國(guó)外襯底產(chǎn)品的技術(shù)差距也在縮小，隨著國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)能跟上需求，未來(lái)國(guó)內(nèi)廠商在碳化硅器件上也會(huì)迎來(lái)許多機(jī)會(huì)。 ? 外延和器件產(chǎn)品的市場(chǎng)格局與襯底類似，由于主要外延設(shè)備為國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)廠商主要從以外延晶片生產(chǎn)為主要切入方向，目前中國(guó)SiC外延晶片主要產(chǎn)線均為4英寸和6英寸，尚未涉及8英寸的量產(chǎn)。 ? SiC器件方面，由于器件對(duì)穩(wěn)定性要求較高，需要較長(zhǎng)的驗(yàn)證周期，因此中國(guó)廠商切入進(jìn)程較慢，還未形成一定規(guī)模的市占率，但存在國(guó)產(chǎn)廠商如士蘭微、斯達(dá)等已實(shí)現(xiàn)器件規(guī)模生產(chǎn)并在功率MOSFET、IGBT單管、IGBT模塊等部分領(lǐng)域躋身全球前十。隨著碳化硅材料的滲透率不斷上升，未來(lái)碳化硅器件在也新能源車、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域擁有巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，下游器件廠商也擁有超車機(jī)會(huì)。 ? 總而言之，碳化硅價(jià)值鏈的核心在于材料，在于襯底和外延。因?yàn)殡S著上游襯底和外延技術(shù)的不斷突破，帶動(dòng)碳化硅材料產(chǎn)能的提升，也會(huì)帶動(dòng)下游碳化硅器件行業(yè)的發(fā)展。雖然目前國(guó)內(nèi)外廠商在技術(shù)、尺寸上仍然有著一定的差距，但是隨著國(guó)內(nèi)廠商不斷深耕技術(shù)和工藝，提升襯底制備的良率，突破外延設(shè)備的壟斷，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)下游碳化硅器件廠商的發(fā)展。未必不能在第三代半導(dǎo)體發(fā)展中抓住超車機(jī)會(huì)。 ? 審核編輯：黃飛

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