碳化硅器件領(lǐng)域，中外的現(xiàn)況如何？

近年來，以碳化硅（SiC）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料備受關(guān)注，在禁帶寬度、擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子飽和速率、抗輻射能力等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求。

碳化硅器件按照電阻性能的不同，可以分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。

?導(dǎo)電型碳化硅功率器件主要是通過在導(dǎo)電型襯底上生長碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進(jìn)一步加工制成，品種包括SBD（肖特基二極管）、MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）等，主要用于電動(dòng)汽車、光伏、軌道交通、數(shù)據(jù)中心、充電等基礎(chǔ)建設(shè)。目前碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用。

下游應(yīng)用方面，導(dǎo)電型碳化硅功率器件主要以新能源車、充電設(shè)備和光伏、工業(yè)為主。其中在新能源汽車市場占比非常高，達(dá)到63%。SiC器件主要應(yīng)用在新能源汽車的PCU（動(dòng)力控制單元，如車載DC/DC）和OBC（充電單元），相比于Si器件，SiC器件可減輕PCU設(shè)備的重量和體積，降低開關(guān)損耗，提高器件的工作溫度和系統(tǒng)效率；OBC充電時(shí)，SiC器件可以提高單元功率等級，簡化電路結(jié)構(gòu)，提高功率密度，提高充電速度；另外，在光伏領(lǐng)域，因?yàn)镾iC材料具有更低的導(dǎo)通電阻、柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，使用SiC Mosfet或SiC Mosfet與SiC SBD結(jié)合的光伏逆變器，可將轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99%+，能量損耗降低50%+，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。

數(shù)據(jù)來源：Yole，東吳證券研究所

?半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過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外延片后進(jìn)一步制成，包括HEMT（高電子遷移率晶體管）等氮化鎵射頻器件。

下游應(yīng)用方面，半絕緣型碳化硅基射頻器件主要用于5G通信、車載通信、國防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天等領(lǐng)域。碳化硅、氮化鎵材料的飽和電子漂移速率分別是硅的2.0、2.5 倍，因此碳化硅、氮化鎵器件的工作頻率大于傳統(tǒng)的硅器件。然而，氮化鎵材料存在耐熱性能較差的缺點(diǎn)，而碳化硅的耐熱性和導(dǎo)熱性都較好，可以彌補(bǔ)氮化鎵器件耐熱性較差的缺點(diǎn)，因此業(yè)界采取半絕緣型碳化硅做襯底，在襯底上生長氮化鎵外延層后制造射頻器件。

目前全球碳化硅行業(yè)發(fā)展尚未成熟，盡管歐美等國家因?yàn)橄劝l(fā)優(yōu)勢，在技術(shù)和產(chǎn)能方面具有較大優(yōu)勢，但中國過去幾年的追趕速度也是非常驚人的。

下面，我們一起來看下在碳化硅器件領(lǐng)域，中外的現(xiàn)況如何？

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市場份額：

CR6超95%，均為海外廠商

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根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，全球碳化硅器件的市場份額由海外巨頭壟斷，全球TOP6廠商占據(jù)95%以上的市場份額，由高到低分別為：意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機(jī)、安森美。其中最大的碳化硅器件廠商為意法半導(dǎo)體，市占率達(dá)到40%，向特斯拉提供SiC MOSFET模塊；其次是英飛凌，市占率22%，據(jù)悉已向全球3600多家汽車和工業(yè)客戶提供碳化硅產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)來源：Yole，東吳證券研究所

盡管國內(nèi)企業(yè)在碳化硅器件領(lǐng)域起步較晚，但在碳化硅市場規(guī)模高速增長、行業(yè)供需持續(xù)緊張的背景下，國內(nèi)傳統(tǒng)功率器件制造商與新興SiC器件制造商紛紛入局。國內(nèi)廠商加大SiC器件的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)線投資力度，加速追趕國際龍頭。本土IDM的企業(yè)有三安光電、世紀(jì)金光、華潤微電子、士蘭微電子、斯達(dá)半導(dǎo)、揚(yáng)杰科技等，F(xiàn)abless企業(yè)有派恩杰、愛仕特、東微半導(dǎo)體、上海瀚薪等。

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品類商業(yè)化：

SiC二極管本土商業(yè)化漸完善，

SiC MOS中外差距大

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SiC二極管，本土廠商商業(yè)化逐步完善。目前國內(nèi)多家廠商已設(shè)計(jì)出 SiC SBD產(chǎn)品，中高壓SiC SBD產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，在車載OBC中，多采用SiC SBD+SI IGBT實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流密度。目前國內(nèi)在SiC SBD產(chǎn)品的專利設(shè)計(jì)方面沒有障礙，派恩杰已經(jīng)開始六代SiC SBD的研發(fā)，與國外差距較小。

SiC MOS本土廠商多處于流片、客戶驗(yàn)證階段，與海外廠商商業(yè)化差距大。海外廠商意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆等600-1700V SiC MOS已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并和多家客戶達(dá)成簽單出貨，而國內(nèi)廠商的相關(guān)制造平臺(tái)正在搭建中，SiC MOS設(shè)計(jì)已基本完成，多家設(shè)計(jì)廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗(yàn)證仍需部分時(shí)間，因此距離大規(guī)模商業(yè)化仍有較長時(shí)間。

國產(chǎn)SiC MOSFET目前主要被用于OBC上，應(yīng)用于電動(dòng)汽車主驅(qū)上的基本還沒有。但隨著國內(nèi)需求的增長，在國產(chǎn)替代的趨勢下，可以預(yù)計(jì)未來很快就可以看到國產(chǎn)SiC MOSFET在電動(dòng)汽車主驅(qū)上的應(yīng)用。

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技術(shù)路線：

平面、溝槽結(jié)構(gòu)，中外廠商均有布局

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SiC MOSFET可分為平面結(jié)構(gòu)與槽結(jié)構(gòu)，兩種工藝各有優(yōu)劣。平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡單，單元一致性較好，雪崩能量較高；缺點(diǎn)在于存在JFET效應(yīng)，從而增加通態(tài)電阻，寄生電容也較大。溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于沒有JFET效應(yīng)，寄生電容小，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗低，缺點(diǎn)在于工藝復(fù)雜，單元一致性較差。

目前平面結(jié)構(gòu)SiC MOS廠商眾多，其在制造端相對簡單，可以滿足可制造性和成本可控兩方面。海外廠商意法半導(dǎo)體、Wolfspeed目前為平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)也在研究溝槽結(jié)構(gòu)方案；國內(nèi)廠商包括斯達(dá)半導(dǎo)體、新潔能、APS、瞻芯電子、上海瀚薪等Fabless廠商選擇平面結(jié)構(gòu)。

目前市場中，能夠量產(chǎn)溝槽型SiC MOSFET的企業(yè)為羅姆的雙溝槽結(jié)構(gòu)、英飛凌的半包溝槽結(jié)構(gòu)和日本住友的接地雙掩埋結(jié)構(gòu)。國內(nèi)市場，時(shí)代電氣子公司時(shí)代半導(dǎo)體宣布投資4.62億元擴(kuò)產(chǎn)6英寸溝槽型SiC器件，三安光電、華潤微電子的碳化硅溝槽MOS產(chǎn)品正在開發(fā)布局。

對于溝槽型碳化硅器件來說，未來的技術(shù)演進(jìn)方向是減小溝槽底部氧化層工作電場強(qiáng)度，避免專利侵權(quán)和可控的制造成本。

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SiC晶圓產(chǎn)能：本土加速

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根據(jù)《2022碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，2022年國外有30個(gè)碳化硅相關(guān)項(xiàng)目擴(kuò)產(chǎn)或投產(chǎn)，總投資金額超過800億人民幣，新增襯底產(chǎn)能超過250萬片。2023年以來，海外大廠持續(xù)加大與上下游合作伙伴在襯底材料、外延片、器件供應(yīng)等方面的合作。

國內(nèi)方面，據(jù)集邦咨詢統(tǒng)計(jì)，中國已有約70家廠商切入SiC功率器件業(yè)務(wù)，整體市場預(yù)計(jì)將進(jìn)入高度競爭階段。而SiC晶圓產(chǎn)能方面，據(jù)集邦咨詢不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年三季度，中國已有約24家廠商涉足SiC晶圓制造。其中IDM廠商15家，7家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；Foundry廠商9家，5家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。以各家晶圓產(chǎn)能來看，三安光電與積塔半導(dǎo)體分別位居IDM與Foundry廠商首位。

數(shù)據(jù)來源：公司官網(wǎng)、東吳證券研究所、與非網(wǎng)

整體來看，中國SiC晶圓廠產(chǎn)能擴(kuò)張的步伐在加速。集邦咨詢統(tǒng)計(jì)2022年由中國廠商釋放的SiC MOSFET晶圓產(chǎn)能尚不足全球10%，不過預(yù)計(jì)自2023年四季度開始會(huì)有所好轉(zhuǎn)。

再看上游材料端，碳化硅襯底和外延片的價(jià)值量占比超過一半，襯底成本最大，占比達(dá)47%；其次是外延成本占比為23%，成為決定碳化硅器件品質(zhì)的關(guān)鍵。

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襯底：

本土廠商尺寸、良率相對落后

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2022年4月，Wolfspeed位于紐約的莫霍克谷SiC制造工廠正式開業(yè)，成為全行業(yè)首個(gè)實(shí)現(xiàn)8英寸SiC晶圓量產(chǎn)的企業(yè)。目前全球企業(yè)都積極布局8英寸SiC晶圓產(chǎn)線，根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，國內(nèi)外已有十余家企業(yè)將8英寸SiC晶圓量產(chǎn)提上日程，但大部分還處于樣品或小規(guī)模量產(chǎn)的階段。

數(shù)據(jù)來源：半導(dǎo)體在線

導(dǎo)電型襯底方面，目前國外廠商已領(lǐng)先6英寸碳化硅襯底供應(yīng)，并開始供應(yīng)8英寸襯底；國內(nèi)企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，已具備6英寸SiC襯底量產(chǎn)能力，2-3年內(nèi)會(huì)有大量產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而8英寸襯底已有部分本土廠商研發(fā)成功。

半絕緣型襯底方面，目前國外廠商在襯底和外延上由4英寸向6英寸轉(zhuǎn)移，4英寸線預(yù)計(jì)3-5年逐漸淘汰；而國內(nèi)企業(yè)襯底主要集中在2-4英寸。

雖然本土廠商的襯底尺寸相比海外頭部企業(yè)相差一代，但是天科合達(dá)、天岳先進(jìn)等國內(nèi)廠商已經(jīng)在全球SiC襯底市場占據(jù)了一定份額，2022年兩者市場份額分別為13%、2%。

另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)國內(nèi)天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等廠商的產(chǎn)能在20-30萬片/年，國外Wolfspeed、羅姆、II-VI等廠商的產(chǎn)能在50-60片/年。同時(shí)由于設(shè)備、人才短缺，國內(nèi)SiC襯底良率較低，國內(nèi)龍頭天岳先進(jìn)、天科合達(dá)的良率只有50%，而海外Wolfspeed的良率已達(dá)85%左右，這導(dǎo)致國內(nèi)碳化硅功率半導(dǎo)體器件的價(jià)格較高昂，且市場滲透率較低。

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外延片：全球雙寡頭壟斷

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2020年Wolfspeed與昭和電工分別占據(jù)全球碳化硅導(dǎo)電型外延片市場52%和43%的市場份額，合計(jì)高達(dá)95%，形成雙寡頭壟斷。由于進(jìn)口外延爐供貨短缺、國內(nèi)外延爐仍需驗(yàn)證、外延工藝難度大等原因，國內(nèi)SiC外延廠商較少，市占率較低。

國內(nèi)瀚天天成和東莞天域是國內(nèi)Top2的外延片廠商。

產(chǎn)能方面：瀚天天成2022年6英寸產(chǎn)能達(dá)12萬片，2023年計(jì)劃產(chǎn)能40萬片（包括6/8英寸），至2025年產(chǎn)能目標(biāo)約140萬片；東莞天域2022年6英寸產(chǎn)能達(dá)8萬片，并且啟動(dòng)年產(chǎn)100萬片的6/8英寸外延項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2025年竣工并投產(chǎn)。

技術(shù)方面：國內(nèi)6英寸外延均較為成熟和穩(wěn)定，8英寸均有儲(chǔ)備，其中瀚天天成已實(shí)現(xiàn)8英寸外延技術(shù)的突破，且具有量產(chǎn)能力；東莞天域正攻克關(guān)鍵技術(shù)，預(yù)計(jì)2025年首條8英寸外延產(chǎn)線投產(chǎn)。

數(shù)據(jù)來源：芯世相、芯智訊、集邦、東吳證券研究所

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寫在最后

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SiC器件逐步替代部分硅基功率器件是較為明確的趨勢，關(guān)鍵痛點(diǎn)在于供應(yīng)穩(wěn)定性和價(jià)格，這需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈從襯底、外延、器件到模塊封裝各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)良率提升、產(chǎn)能擴(kuò)大、產(chǎn)線穩(wěn)定等的優(yōu)化和改進(jìn)。

中國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正迎來戰(zhàn)略機(jī)遇期。盡管國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，在產(chǎn)品技術(shù)、產(chǎn)能等方面相對處于劣勢，但隨著本土SiC廠商的技術(shù)不斷突破和國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)一步壯大，在全球競爭中占據(jù)更有利的地位。

審核編輯：黃飛

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