智芯研報 | 產能大戰下的SIC外延片市場

2021年6月4日 10:57
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目前所有的碳化硅器件基本上都是在外延上實現的，外延環節是產業鏈的中間環節。首先，器件的設計對外延的質量性能要求高影響非常大，同時外延的質量也受到晶體和襯底加工的影響，所以SIC外延環節對產業鏈的整體發展起到非常關鍵的作用。 


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碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長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。實際應用中對外延層質量的要求非常高。而且隨著耐壓性能的不斷提高，所要求的外延層的厚度就越厚，成本也會相應調整！

目前，全球市場看，外延片企業主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機、Infineon 等，多數是IDM公司。日本也存在比較優越的碳化硅外延的供應商，比如說昭和電工，但它已經不是一個純粹的做碳化硅外延的，因為他在前幾年也收購了日本的新日鐵，開始涉及到了碳化硅單晶的制備。

我國SiC外延材料研發工作開發于“九五計劃”，材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等，產業化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實現商業化?？梢詽M足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

與Si 材料相比，SiC 晶圓生長速率滿、晶錠長度短、晶圓大小受晶種限制，且硬度高，不易切切割、研磨、拋光，進而影響 SiC 器件質量及穩定性，故目前襯底和外延市場格局集中、價格高企。

雖然我國投資的碳化硅襯底項目已經有30多個，但是市場需求量最大的6英寸N型碳化硅晶片依然嚴重依賴進口。碳化硅襯底和外延的成本目前占到碳化硅模塊總成本的50%以上，如果該問題不得到解決，我國碳化硅產業相比于美國很難有什么太大的競爭力。

國內外SIC產業鏈對比
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價格


這里我們要先清楚外延片的成本結構，其中原材料成本占比是52%，設備折舊成本是15%，剩下的潔凈室，勞動力和研發成本的占比分別是12%、14%和7%。所以一般來說，SiC產品的成本下降主要依賴于襯底，其中尺寸增加、可用厚度增加和缺陷密度下降都成為主要的降本手段。

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SiC 外延片成本結構

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。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 年底已經達到 20mm 左右。伴隨襯底結晶缺陷密度下降的同時，工藝復雜程度增加。在大部分襯底提供商完成低缺陷密度單晶生長工藝及厚單晶生長工藝研發后，襯底單位面積價格會迎來相對快速的降低。

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SIC襯底價格預測（元/cm2）

基于SiC襯底，外延環節普遍采用化學氣相沉積技術（CVD）獲得高質量外延層，隨后在外延層上進行功率器件的制造。單位成本也會相應降低！

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SiC 外延片價格（元/cm2）

我們判斷，2022 年有望成為 SiC 價格下降的關鍵轉折點，因為主流品牌新能源車企開始量產采用 SiC 方案的車型，如果僅考慮逆變器的使用，新能源車將消耗絕大部分 SiC 襯底產能，如果再把車載 OBC、充電樁、DC/DC 的 SiC 使用滲透考慮進去，需求量將更大。

從產能角度來看，以特斯拉 Model3 為例估算，根據拆解圖，主逆變器中有 24 個 SiC 模塊，每個模塊 2 個 SiC MOSFET，共需要 48 顆芯片。一個 6 寸片面積約為 8.8 輛車所消耗的 SiC MOSFET 芯片面積，假設10%邊緣損耗和 60%良率，則單個 6 寸片足夠供應約 4.7 輛車。Model 3/Y 2019 年交貨量 30 萬輛，消耗 6.4 萬片 SiC，約占當年全球產能 24%。SiC 產業鏈在快速擴產，預計 2025 年產能為 2019 年的 10 倍。

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新能源汽車用 SiC 功率器件產能測算

這將大幅提升襯底和外延企業的產能利用率，到2025 年 SiC 器件價格有望下降到當前水平的 1/4-1/3，結合電池成本的節省，SiC 的經濟性和性能優勢將充分顯現。

技術



隨著碳化硅器件的耐壓性能不斷提高，所要求的外延層的厚度就越厚。一般電壓在600V左右時，所需要的外延層厚度約在6微米左右；電壓在1200-1700V之間時，所需要的外延層厚度就達到10-15微米。如果電壓達到一萬伏以上時，可能就需要100微米以上的外延層厚度。

隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質量外延片的制備也就非常難。當下碳化硅外延技術進展情況：

在低、中壓領域，目前外延片核心參數厚度、摻雜濃度可以做到相對較優的水平。碳化硅外延的技術相對是比較成熟的。基本上可以滿足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一個1200伏器件應用的10μm的外延片，它的厚度、摻雜濃度了都達到了一個非常優的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以達到0.5平方以下。

但在高壓領域，目前外延片需要攻克的難關還很多，主要參數指標包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。高壓領域外延的技術發展相對比較滯后，如上是2萬伏的器件上的200μm的一個碳化硅外延材料，它的均勻性、厚度和濃度相對于上述介紹的低壓差很多，尤其是摻雜濃度的均勻性。


同時，高壓器件需要的厚膜方面，目前的缺陷還是比較多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時它的少子壽命目前也比較低。

2021年3月1日，日本豐田通商株式會社正式宣布成功開發出一種表面納米控制技術——Dynamic AGE-ing。該技術可以讓任何尺寸、任意供應商的SiC襯底的BPD（基平面位錯）降低到1以下。

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Dynamic AGE-ing

2021年3月3日，國內SIC外延代表型企業瀚天天成發布消息稱，突破了碳化硅超結深槽外延關鍵制造工藝。

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碳化硅超結深槽外延關鍵制造工藝

企業


碳化硅外延片生產的國外核心企業，主要以美國的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、昭和電工、三菱電機、德國的Infineon 等為主。其中，美國公司就占據全球70-80%的份額。技術上也在向6英寸為主的方向過渡。

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國外主要的外延片企業代表企業昭和電工，目前產品已經應用于豐田集團旗下主要生產汽車空調、點火、燃油噴射等系統的DENSO（電裝）公司用于燃料電池電動車的下一代增壓動力模塊制造。近期英飛凌科技公司與昭和電工簽訂了一份包括外延在內的多種SiC材料（SiC）的供應合同，以滿足英飛凌目前SiC基產品不斷增長的需求。

國內碳化硅外延片的生產商，主要瀚天天成、東莞天域、國民技術子公司國民天成、世紀金光，以及國字號的中電科13所和55所。以及實現 SiC 從材料到封裝一體化的半導體公司三安集成等。目前國內外延片也是以提供4英寸的產品為主，并開始提供6英寸外延片。2019 SiC外延片折算6英寸產能約為20萬片/年。

三安集成是全球少數實現 SiC 從材料到封裝一體化的半導體公司。目前，三安集成是繼科銳、羅姆后，全球少數實現 SiC 垂直產業鏈布局的廠商，在國內更是行業先驅者。

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三安長沙項目

三安集成長沙項目加碼 160 億投資 SiC 等第三代化合物半導體，搶先卡位布局。2020 年 6 月，公司公告在長沙高新技術園區成立子公司，投資160億元于SiC等化合物第三代半導體項目，包括長晶—襯底制作—外延生長—芯片制備—封裝產業鏈。長沙投資的具體項目的產品包括 6 寸 SiC 導電襯底、4 寸半絕緣襯底、SiC 二極管外延、SiC MOSFET 外延、SIC 二極管外延芯片、SiC MOSFET 芯片、SiC 器件封裝二極管、SiC 器件封裝 MOSFET。該項目 2020 年 7 月開工，計劃 2021 年 6 月試產，預計 2 年內完成一期項目并投產，4 年內完成二期項目并投產，6 年內達產。

也有國內企業在外延這一環節走的比較快，能與國外企業在國際上多個市場競爭，這其中，最突出的是廈門瀚天天成。該公司已經形成3英寸、4英寸以及6英寸的完整碳化硅半導體外延晶片生產線，并滿足600V、1200V、1700V器件制作的需求。2014年5月29日，瀚天天成首批產業化的6英寸碳化硅外延晶片在廈門火炬高新區投產，并交付第一筆商業訂單產品，成為國內首家提供的商業化6英寸碳化硅外延晶片。

目前，瀚天天成投資13.4億元的二期項目也在快速建設中，二期項目還將完成高品質6英寸碳化硅外延片的研發，實現外延表面致命缺陷密度＜0.5cm-2、外延片內摻雜濃度均勻性＜5%、表面大于0.3μm的顆粒≤50個，同時還將建設2個生產服務設施用房及3個通用廠房以及一些土建項目。

剩下國內的代表性企業例如東莞天域公司，則在2012年就實現了年產超2萬片3英寸、4英寸碳化硅外延晶片的產業化能力，目前也可提供6英寸碳化硅外延晶片。

國民技術在2017年8月15日發布公告，投資監理成都國民天成化合物半導體有限公司，建設和運營6英寸第二代和第三代半導體集成電路外延片項目，項目首期投資4.5億元。

寫在最后：
目前，在低中壓領域碳化硅外延已經相對比較成熟，未來方向主要就是低成本化。同時，結合一些器件結構需要，開發一些特殊的外延工藝。再一個就是加快國產化設備的研發，國產化設備的國產化其于成本的控制是非常有利的。在高壓領域我們也希望開展一些產業化方面的共性的技術，從應用牽頭，政策給予支持，協同攻關使高壓領域盡快的走向市場化。還有一部分是最近幾年在體系標準方面的建設，其實在產業聯盟的推進下，碳化硅外延的標準目前來說基本比較健全，下一步需要在行標、國標以及國際標準上進一步做一些工作，促使產業健康有序發展。

| 來源： IN SEMI ，微安

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