碳化硅行业浅析

时间： 2024-12-28 来源：瑞之辰科技知乎

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经过第一代硅基半导体、第二代的砷化镓半导体，半导体材料发展已经来到了属于碳化硅、氮化镓的第三代。碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料，碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。因其优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率，有望成为未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

图表来源：IHS Market

近年来新能源汽车驱动碳化硅行业高速成长，较传统的燃油汽车相比，新能源汽车半导体元器件功率更大，性能要求更高，用量几倍于传统燃油汽车。根据现有技术方案，每辆新能源汽车使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。使用碳化硅衬底材料，为新能源汽车节省大量成本。

碳化硅是功率器件材料端的技术演进

随着终端应用电子架构复杂程度提升，硅基器件物理极限无法满足部分高压、高温、高频及低功耗的应用要求，具备热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点的碳化硅（SiC）器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现，应用于新能源汽车、光伏、工控等领域，在电力电子设备中实现对电能的高效管理。以逆变器为例，碳化硅模块代替硅基IGBT后，逆变器输出功率可增至硅基系统的2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度为原有3.6倍，最终实现系统成本整体降低。

碳化硅技术壁垒高，技术演进空间大：

一方面，由于碳化硅长晶速度慢，每小时仅生长0.2-0.3mm，在200多种晶型中仅一种可用（SiC-4H），且晶棒切割难度大，因此碳化硅衬底从样品到稳定批量供货大约需要5年；

另一方面，作为碳化硅器件性能及可靠性的关键，高压器件用、低缺陷密度且均匀掺杂的碳化硅外延工艺难度大；叠加离子注入、栅氧可靠性及客户验证等器件端挑战，碳化硅市场进入壁垒高，技术挑战大。未来，碳化硅将继续向衬底大尺寸化、切割高效化及器件模块化等低成本高可靠性方向发展。

上游产能不断扩充，产业垂直整合加速：

碳化硅衬底成本占比为46%，外延成本占比为23%，产业链价值量倒挂，衬底供应商掌握了产业链的核心话语权。

以Wolfspeed为例，其衬底产能全球第一，已获13亿美元长期协议，在车规级器件端扩展迅速。目前，ST、英飞凌、安森美等传统功率器件商均在上游材料进行扩产，同时基于多年客户积累与汽车等终端建立合作，产业垂直整合加速。

我国目前在衬底端已开始占据一定市场份额，如山东天岳2020年半绝缘衬底全球市占率已至30%；而器件端，目前全球意法半导体一家独大，国内公司尚属发展早期，但已有部分企业如斯达半导、比亚迪半导体等碳化硅模块已实现上车应用。

新能源汽车驱动市场加速，国内SiC产业链蓄势待发

根据Yolé预测，碳化硅器件市场将从2019年5亿美元增至2025年25亿美元，复合增速达30%。其中，新能源汽车作为主驱动力，从2019年2.25亿增至2025年15亿美元，占整个市场60%，对应复合增速38%。

随着快充需求增加，电动汽车逐步向800V架构过渡，碳化硅渗透加速。目前，国内企业在衬底端已有开始占据少量份额，器件端仍属发展早期。

未来，考虑产业链价值量分布及客户优势等因素，我们认为上游拥有衬底量产技术、外延能力的企业及拥有功率半导体经验、下游客户或具备大量上车数据的功率半导体公司有望脱颖而出。

碳化硅产业链详概况近年来，以碳化硅晶片作为衬底材料的技术逐渐成熟并开始规模生产及应用。SiC 生产过程主要包括碳化硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是碳化硅产业链衬底、外延、器件三大环节。

1. 衬底

衬底是所有半导体芯片的底层材料，主要起到物理支撑、导热及导电作用，碳化硅衬底主要包括导电型和半绝缘型两类，二者在外延层及下游应用场景不同。作为导电型衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成碳化硅二极管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，适用于高温、高压等工作环境，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；作为半绝缘型衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成 HEMT 等微波射频器件，适用于高频、高温等工作环境，主要应用于5G 通讯、卫星、雷达等领域。当前碳化硅衬底以 4、6 英寸为主，科锐公司已成功研发 8 英寸产品。在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 4 英寸；在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 6 英寸。碳化硅衬底的尺寸（按直径计算）主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展，目前行业内公司主要量产衬底尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸。在最新技术研发储备上，以行业领先者 WolfSpeed 公司的研发进程为例，WolfSpeed 公司已成功研发 8 英寸产品。为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低；衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较长时间。

2. 外延

外延层是在晶片的基础上，经过外延工艺生长出特定单晶薄膜，衬底晶片和外延薄膜合称外延片。其中，在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅同质外延片，可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、 IGBT 等功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）异质外延片，可进一步制成 HEMT 等微波射频器件，应用于 5G 通讯、雷达等领域。在全球市场中，外延片企业主要有 II-VI、Norstel、WolfSpeed、罗姆等 IDM 公司。近年来，国内瀚天天成、东莞天域、基本半导体已能提供 4 寸及 6 寸 SiC 外延片。碳化硅外延制备技术方面，当前主要的外延技术是化学气相沉积法（CVD），该法通过台阶流的生长来实现一定厚度和掺杂的碳化硅外延材料，根据不同的掺杂类型，分为 n 型和 p 型外延片。碳化硅外延的生长参数要求较高，受到设备密闭性、反应室气压、气体通入时间、气体配比情况、沉积温度控制等多重因素影响。而第三代半导体中，由于氮化镓材料作为衬底实现规模化生产当前仍面临挑战，因此是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片作为衬底，通过外延生长氮化镓器件。

3. 碳化硅功率器件

碳化硅功率器件主要包含 SiC 功率二极管、SiC MOSFET 器件和碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT/SiC IGBT）等 SiC 晶体管两大类。SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年SiC-SBD 开始商用，2010 年 SiCMOSFET 开始商用，而 SiC-IGBT 的商用仍存在挑战。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6 英寸 Si 基功率器件生长线上进行，这将进一步降低 SiC 材料和器件成本，推进 SiC 器件和模块的普及。当前，国际上 600～1700VSiC-SBD、MOSFET已经实现产业化，主流产品耐压水平在 1200V 以下，封装形式以 TO 封装为主。价格方面，国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5～6 倍，正以每年 10%的速度下降，随着上游材料纷纷扩产上线，未来 2～3 年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应 Si 产品 2～3 倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC 逐步占领 Si 器件的市场空间。

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