特斯拉下一代平臺(tái)點(diǎn)亮碳化硅產(chǎn)業(yè)變革新方向

2023年3月2日，特斯拉宣布下一代平臺(tái)將減少75%的碳化硅用量，引發(fā)市場(chǎng)對(duì)碳化硅應(yīng)用前景的擔(dān)憂，全球碳化硅相關(guān)股票當(dāng)日均應(yīng)聲下跌。不過(guò)很快市場(chǎng)意識(shí)到這并非碳化硅行業(yè)的利空，相關(guān)板塊股價(jià)出現(xiàn)反彈。截至4月14日，ST、安森美、天岳先進(jìn)等公司已基本恢復(fù)3月2日前的股價(jià)水平。

本篇研究報(bào)告將從特斯拉減少碳化硅用量出發(fā)剖析碳化硅行業(yè)的新趨勢(shì)，并提出其對(duì)碳化硅投資的新啟示。

一代材料一代應(yīng)用，碳化硅材料方興未艾

碳化硅（Silicone Carbide, SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，相較于硅材料等前兩代半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度更大，在擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，碳化硅是制造高溫、高頻、大功率半導(dǎo)體器件的理想材料，具有高效率、開關(guān)速度快等性能優(yōu)勢(shì)，能大幅降低產(chǎn)品能耗、提升能量轉(zhuǎn)換效率并縮小產(chǎn)品體積，完美契合碳中和時(shí)代的應(yīng)用需求。

目前，碳化硅器件可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏逆變器、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、5G通信等領(lǐng)域，是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中前景最廣闊的材料之一。

其中，在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅器件主要用于主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC和充電樁。2017年，特斯拉率先在其Model3車型上使用碳化硅器件，以簡(jiǎn)化供電網(wǎng)絡(luò)、減少逆變體積和重量、降低損耗并提高汽車?yán)m(xù)航。在特斯拉的帶領(lǐng)下，國(guó)內(nèi)外各大車企紛紛發(fā)布碳化硅上車計(jì)劃，新能源汽車逐漸成為碳化硅器件最大的終端應(yīng)用市場(chǎng)。此外，為解決里程問(wèn)題，800V高壓快充平臺(tái)成為新一代解決方案，國(guó)內(nèi)外車廠也相繼掀起一輪800V平臺(tái)車型發(fā)布潮。

3月2日，特斯拉宣布其下一代平臺(tái)將減少75%的碳化硅用量，在市場(chǎng)短暫的情緒波動(dòng)后，業(yè)界普遍認(rèn)為這是特斯拉在碳化硅技術(shù)方面的一次迭代升級(jí)，我們匯總了幾類可能的實(shí)現(xiàn)路徑如下：

特斯拉有可能在下一代平臺(tái)中升級(jí)為800V架構(gòu)，那么相較于現(xiàn)有的400V架構(gòu)，特斯拉理論上可以減少50%的器件用量；

溝槽型MOSFET替代平面型MOSFET，碳化硅器件的面積可以相應(yīng)減少；

平面型MOSFET的迭代升級(jí)，器件面積減少、穩(wěn)定性提高；

新模塊封裝技術(shù)可以提升器件電壓和模塊功率，減少碳化硅器件用量。

盡管我們并不清楚特斯拉具體采取了哪種實(shí)現(xiàn)路徑，但可以肯定的是，特斯拉減少碳化硅用量是由技術(shù)進(jìn)步而非退步帶來(lái)的，實(shí)際上，碳化硅在光伏儲(chǔ)能、工業(yè)、軌交、電網(wǎng)等更多領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用一直受制于其高企的成本，特斯拉帶領(lǐng)的技術(shù)革新或?qū)⒋蜷_碳化硅普及化的閘門，使其在更大范圍內(nèi)替代硅基IGBT。

因此，我們認(rèn)為碳化硅器件的競(jìng)爭(zhēng)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將取決于企業(yè)的技術(shù)能力而非資本實(shí)力。實(shí)際上，全球碳化硅器件市場(chǎng)格局長(zhǎng)期以來(lái)一直由海外巨頭主導(dǎo)。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2021年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)份額由海外巨頭意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機(jī)、安森美等廠商壟斷，全球TOP6占據(jù)99%的市場(chǎng)份額。

襯底是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵的一環(huán)

供需高度緊張?zhí)蓟杵骷谱鬟^(guò)程可分為襯底加工、外延生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)、制造、封裝等環(huán)節(jié)。產(chǎn)業(yè)鏈存在較為顯著的價(jià)值量倒掛現(xiàn)象，其中襯底制造技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大。在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的47%。而對(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。

碳化硅襯底按照下游應(yīng)用可分為半絕緣型襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底。半絕緣型襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件，而導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造各類功率器件。

從競(jìng)爭(zhēng)格局上看，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)在半絕緣型襯底領(lǐng)域已經(jīng)成為全球重要供應(yīng)力量，天岳先進(jìn)已經(jīng)占據(jù)全球30%的半絕緣型襯底市場(chǎng)。但在導(dǎo)電型襯底領(lǐng)域，Cree一家就供應(yīng)了全球62%的導(dǎo)電型襯底，前三名壟斷了90%的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)相較于海外龍頭還有較大差距。

目前襯底是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵的一環(huán)，全球碳化硅襯底目前正面臨極度的供不應(yīng)求。事實(shí)上，我們認(rèn)為這也是特斯拉不得不尋求減少碳化硅用量的直接原因。如果按照1片6寸襯底供給2輛新能源汽車來(lái)計(jì)算，那么2022年特斯拉130萬(wàn)輛的產(chǎn)銷就需要65萬(wàn)片6寸碳化硅襯底，同期全球碳化硅襯底產(chǎn)能不過(guò)80-100萬(wàn)片?？紤]到一部分襯底只能用來(lái)做工規(guī)級(jí)產(chǎn)品，那么目前全球產(chǎn)能也只能勉強(qiáng)滿足特斯拉一家車企的需求。而特斯拉計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)2000萬(wàn)輛的年產(chǎn)能，相當(dāng)于1000萬(wàn)片的襯底需求，這需要全球襯底產(chǎn)能擴(kuò)大10倍以上。

即使考慮到單車碳化硅用量可能的減少，根據(jù)云岫資本測(cè)算，到2027年，全球車載碳化硅襯底需求量仍會(huì)突破650萬(wàn)片，其中中國(guó)市場(chǎng)需求也將突破240萬(wàn)片，當(dāng)前產(chǎn)能仍有6倍缺口。

碳化硅襯底技術(shù)壁壘極高，并且仍在不斷迭代

碳化硅長(zhǎng)晶難度高

地球上沒(méi)有天然的碳化硅，其最早是在1824年由瑞典科學(xué)家Berzelius在人工合成金剛石的實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起足夠的關(guān)注。1959年，荷蘭科學(xué)家Levy提出了一種升華生長(zhǎng)單晶的方法，在石墨坩堝中放入碳化硅粉末并在保護(hù)性氣體中加熱至2500℃，升華的氣體在低溫處結(jié)晶可完成晶體生長(zhǎng)。但碳化硅存在200多種晶型，這種方法并不能控制特定單一晶型的碳化硅晶體生長(zhǎng)，因此并沒(méi)有推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)突破性發(fā)展。

1978年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Tairov在此基礎(chǔ)上提出了物理氣相傳輸法（PVT法）并極大程度推動(dòng)了碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該方法在石墨坩堝頂部粘有碳化硅籽晶，通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度、溫度梯度、壓力、碳硅比等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)單一晶型的碳化硅晶體生長(zhǎng)。但當(dāng)時(shí)生長(zhǎng)出來(lái)的碳化硅晶體仍然存在尺寸小、缺陷高等問(wèn)題。之后，Tairov教授的三位學(xué)生分別加入美國(guó)Cree公司、創(chuàng)辦德國(guó)SiCrystal公司（后被Rohm收購(gòu)）、創(chuàng)辦瑞典Norstel公司（后被ST收購(gòu)），在20多年的長(zhǎng)晶研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化中不斷去迭代工藝，最終才達(dá)到當(dāng)前的產(chǎn)品質(zhì)量。

長(zhǎng)晶技術(shù)路線仍在不斷迭代

PVT法目前仍然存在一定的局限性。該工藝是在一個(gè)封閉系統(tǒng)中完成的長(zhǎng)晶過(guò)程，其監(jiān)測(cè)和控制都具有非常高的難度，尤其像碳硅比等參數(shù)到后期控制難度極大，這也導(dǎo)致目前的碳化硅晶體很難長(zhǎng)厚，良率也一直停滯不前。因此，目前碳化硅的長(zhǎng)晶路線仍在不斷迭代，業(yè)界主要在兩種新的長(zhǎng)晶路線上進(jìn)行研發(fā)突破。

一種路線是高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD），最早是在1995年由瑞典林雪平大學(xué)的Kordina提出，并已由Norstel實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)。這種方法利用氣態(tài)的高純碳源和硅源實(shí)現(xiàn)碳化硅晶體生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中可以持續(xù)通入氣體，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的長(zhǎng)晶厚度和更精準(zhǔn)的碳硅比控制，同時(shí)生長(zhǎng)速度也高出PVT法一個(gè)量級(jí)。

另一種路線是液相法（LPE），但是與硅行業(yè)不同的是，碳化硅只有在相當(dāng)苛刻的高溫高壓條件下才可能呈現(xiàn)液態(tài)，因此目前碳化硅液相法使用的并不是碳化硅溶液，而是在硅溶液中通過(guò)金屬助溶劑溶解碳進(jìn)而長(zhǎng)出晶體，但金屬助溶劑的使用會(huì)導(dǎo)致晶體殘留金屬雜質(zhì)，不能用于后續(xù)器件的制作，因此液相法目前還處在發(fā)展早期。

下游對(duì)襯底要求越來(lái)越高

不同下游應(yīng)用對(duì)于碳化硅襯底的要求不盡相同。半絕緣型襯底并不參與器件工作，因此下游客戶僅對(duì)其導(dǎo)通電阻存在要求。而導(dǎo)電型襯底需要參與器件工作，下游客戶尤其關(guān)注缺陷相關(guān)的指標(biāo)，包括微管密度、位錯(cuò)密度等。其中，車規(guī)級(jí)碳化硅襯底要求最高，需要總位錯(cuò)密度達(dá)到2000以下；而在車用細(xì)分場(chǎng)景中，主驅(qū)逆變器采用的MOSFET對(duì)襯底要求最高，需要總位錯(cuò)密度達(dá)到1500以下，達(dá)到國(guó)際龍頭Cree水平。

此外，下游應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于器件電壓等級(jí)的要求也在不斷提升。例如，新能源汽車架構(gòu)逐漸向800V演進(jìn)，對(duì)應(yīng)碳化硅 MOSFET電壓等級(jí)也從650V升級(jí)到1200V。此外，軌交和電網(wǎng)等新興場(chǎng)景對(duì)碳化硅 MOSFET的要求也更高，例如目前高鐵上采用的功率器件主要為3300V-6500V的電壓等級(jí)，而電網(wǎng)的要求更是在6500V以上。高電壓等級(jí)的碳化硅器件面積更大，單片晶圓可切割的碳化硅器件更少，為了確保器件良率，襯底的缺陷密度需要持續(xù)降低。

當(dāng)我們?cè)谡務(wù)撎蓟枰r底產(chǎn)能擴(kuò)張時(shí)，很容易將其與長(zhǎng)晶爐數(shù)量和資金實(shí)力畫等號(hào)，而忽略了其背后的技術(shù)難度。事實(shí)上，對(duì)于同樣厚度的碳化硅晶體，有的公司可以切出10余片車規(guī)級(jí)碳化硅襯底，而有的公司可能1片也切不出來(lái)。

由此可見(jiàn)，碳化硅襯底是一個(gè)技術(shù)壁壘極深、需要長(zhǎng)期積累的行業(yè)，不僅需要過(guò)去多年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，還必須具備持續(xù)的技術(shù)迭代能力，才能不斷滿足市場(chǎng)的需求。目前來(lái)看，碳化硅襯底行業(yè)還是一個(gè)技術(shù)密集型而非資本密集型產(chǎn)業(yè)，短期巨額資金投入很難形成持續(xù)的技術(shù)迭代能力和長(zhǎng)久的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，全球范圍內(nèi)也極少見(jiàn)真正成功的跨界公司，技術(shù)實(shí)力仍然是未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的決定性因素。

國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的碳化硅企業(yè)迅速崛起

助力全球碳化硅產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展

超芯星是全球領(lǐng)先的大尺寸碳化硅襯底供應(yīng)商

江蘇超芯星半導(dǎo)體有限公司是國(guó)內(nèi)第一家專注于大尺寸碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)化的公司。公司團(tuán)隊(duì)源自某國(guó)際知名碳化硅襯底公司，曾主導(dǎo)了各尺寸碳化硅襯底的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，成功銷往英飛凌、羅姆等國(guó)際一線大廠。目前，超芯星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6英寸車規(guī)級(jí)碳化硅襯底的量產(chǎn)出貨，8英寸襯底正在同國(guó)際頭部器件公司商談供貨計(jì)劃。超芯星碳化硅襯底的總位錯(cuò)密度最低可達(dá)560/cm2，產(chǎn)品質(zhì)量比肩國(guó)際龍頭Cree。憑借優(yōu)異的產(chǎn)品質(zhì)量和強(qiáng)大的技術(shù)迭代能力，目前超芯星是國(guó)內(nèi)唯一直接打入多家海外一線器件廠商的襯底公司。為滿足全球市場(chǎng)的旺盛需求，公司正在有序交貨和積極擴(kuò)產(chǎn)，預(yù)計(jì)6-8英寸碳化硅襯底產(chǎn)能未來(lái)將提升至150萬(wàn)片/年。

審核編輯 ：李倩