來源：旺材芯片
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進(jìn)程分為：第一代半導(dǎo)體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導(dǎo)體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。
碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。
因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對應(yīng)高擊穿電場和高功率密度）、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，有望成為未來最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。
近年來新能源汽車驅(qū)動碳化硅行業(yè)高速成長，較傳統(tǒng)的燃油汽車相比，新能源汽車半導(dǎo)體元器件功率更大，性能要求更高，用量幾倍于傳統(tǒng)燃油汽車。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價(jià)值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車的發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長點(diǎn)。使用碳化硅襯底材料，為新能源汽車節(jié)省大量成本。
隨著終端應(yīng)用電子架構(gòu)復(fù)雜程度提升，硅基器件物理極限無法滿足部分高壓、高溫、高頻及低功耗的應(yīng)用要求，具備熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)的碳化硅（SiC）器件作為功率器件材料端的技術(shù)迭代產(chǎn)品出現(xiàn)，應(yīng)用于新能源汽車、光伏、工控等領(lǐng)域，在電力電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)對電能的高效管理。以逆變器為例，碳化硅模塊代替硅基IGBT后，逆變器輸出功率可增至硅基系統(tǒng)的2.5倍，體積縮小1.5倍，功率密度為原有3.6倍，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本整體降低。
碳化硅技術(shù)壁壘高，技術(shù)演進(jìn)空間大：
· 一方面，由于碳化硅長晶速度慢，每小時(shí)僅生長0.2-0.3mm，在200多種晶型中僅一種可用（SiC-4H），且晶棒切割難度大，因此碳化硅襯底從樣品到穩(wěn)定批量供貨大約需要5年；
· 另一方面，作為碳化硅器件性能及可靠性的關(guān)鍵，高壓器件用、低缺陷密度且均勻摻雜的碳化硅外延工藝難度大；疊加離子注入、柵氧可靠性及客戶驗(yàn)證等器件端挑戰(zhàn)，碳化硅市場進(jìn)入壁壘高，技術(shù)挑戰(zhàn)大。未來，碳化硅將繼續(xù)向襯底大尺寸化、切割高效化及器件模塊化等低成本高可靠性方向發(fā)展。
上游產(chǎn)能不斷擴(kuò)充，產(chǎn)業(yè)垂直整合加速：
· 碳化硅襯底成本占比為46%，外延成本占比為23%，產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量倒掛，襯底供應(yīng)商掌握了產(chǎn)業(yè)鏈的核心話語權(quán)。
· 以Wolfspeed為例，其襯底產(chǎn)能全球第一，已獲13億美元長期協(xié)議，在車規(guī)級器件端擴(kuò)展迅速。目前，ST、英飛凌、安森美等傳統(tǒng)功率器件商均在上游材料進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，同時(shí)基于多年客戶積累與汽車等終端建立合作，產(chǎn)業(yè)垂直整合加速。
· 我國目前在襯底端已開始占據(jù)一定市場份額，如山東天岳2020年半絕緣襯底全球市占率已至30%；而器件端，目前全球意法半導(dǎo)體一家獨(dú)大，國內(nèi)公司尚屬發(fā)展早期，但已有部分企業(yè)如斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體等碳化硅模塊已實(shí)現(xiàn)上車應(yīng)用。
新能源汽車驅(qū)動市場加速，國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈蓄勢待發(fā)：
· 根據(jù)Yolé預(yù)測，碳化硅器件市場將從2019年5億美元增至2025年25億美元，復(fù)合增速達(dá)30%。其中，新能源汽車作為主驅(qū)動力，從2019年2.25億增至2025年15億美元，占整個(gè)市場60%，對應(yīng)復(fù)合增速38%。
· 隨著快充需求增加，電動汽車逐步向800V架構(gòu)過渡，碳化硅滲透加速。目前，國內(nèi)企業(yè)在襯底端已有開始占據(jù)少量份額，器件端仍屬發(fā)展早期。
· 未來，考慮產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量分布及客戶優(yōu)勢等因素，我們認(rèn)為上游擁有襯底量產(chǎn)技術(shù)、外延能力的企業(yè)及擁有功率半導(dǎo)體經(jīng)驗(yàn)、下游客戶或具備大量上車數(shù)據(jù)的功率半導(dǎo)體公司有望脫穎而出。
國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈上市或IPO階段相關(guān)公司：天岳先進(jìn)（襯底）、鳳凰光學(xué)（外延）、斯達(dá)半導(dǎo)（器件）、比亞迪半導(dǎo)體（器件）、中車時(shí)代電氣（器件）、華潤微（器件）等。
近年來，以碳化硅晶片作為襯底材料的技術(shù)逐漸成熟并開始規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。SiC 生產(chǎn)過程主要包括碳化 硅單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應(yīng)的是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)。
襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，主要起到物理支撐、導(dǎo)熱及導(dǎo)電作用，碳化硅襯底主要包括導(dǎo)電型和 半絕緣型兩類，二者在外延層及下游應(yīng)用場景不同。作為導(dǎo)電型襯底材料，經(jīng)過外延生長、器件制造、封裝測 試，制成碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，適用于高溫、高壓等工作環(huán)境，應(yīng)用于新能源汽車、 光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；作為半絕緣型襯底材料，經(jīng)過外延生長、器件制造、封裝 測試，制成 HEMT 等微波射頻器件，適用于高頻、高溫等工作環(huán)境，主要應(yīng)用于5G 通訊、衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域。
當(dāng)前碳化硅襯底以 4、6 英寸為主，科銳公司已成功研發(fā) 8 英寸產(chǎn)品。在半絕緣型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為 4 英寸；在導(dǎo)電型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為 6 英寸。碳化硅襯底的尺寸（按 直徑計(jì)算）主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm） 等規(guī)格。碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)公司主要量產(chǎn)襯底尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸。在最新技術(shù)研發(fā)儲備上，以行業(yè)領(lǐng)先者 WolfSpeed 公司的研發(fā)進(jìn)程為例，WolfSpeed 公司已成功研發(fā) 8 英寸產(chǎn) 品。為提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向，襯底尺寸越大，單位襯底可 制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低；襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成 本。由于現(xiàn)有的 6 英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級改造用于生產(chǎn) SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 襯底的高市占率將維持 較長時(shí)間。
外延層是在晶片的基礎(chǔ)上，經(jīng)過外延工藝生長出特定單晶薄膜，襯底晶片和外延薄膜合稱外延片。其中， 在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅同質(zhì)外延片，可進(jìn)一步制成肖特基二極管、MOSFET、 IGBT 等功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；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（GaN-on-SiC）異質(zhì)外延片，可進(jìn)一步制成 HEMT 等微波射 頻器件，應(yīng)用于 5G 通訊、雷達(dá)等領(lǐng)域。在全球市場中，外延片企業(yè)主要有 II-VI、Norstel、WolfSpeed、羅姆 等 IDM 公司。近年來，國內(nèi)瀚天天成、東莞天域、基本半導(dǎo)體已能提供 4 寸及 6 寸 SiC 外延片。
碳化硅外延制備技術(shù)方面，當(dāng)前主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積法（CVD），該法通過臺階流的生長來實(shí) 現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料，根據(jù)不同的摻雜類型，分為 n 型和 p 型外延片。碳化硅外延的生長參數(shù) 要求較高，受到設(shè)備密閉性、反應(yīng)室氣壓、氣體通入時(shí)間、氣體配比情況、沉積溫度控制等多重因素影響。而 第三代半導(dǎo)體中，由于氮化鎵材料作為襯底實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)當(dāng)前仍面臨挑戰(zhàn)，因此是以藍(lán)寶石、硅晶片或碳化 硅晶片作為襯底，通過外延生長氮化鎵器件。
碳化硅功率器件主要包含 SiC 功率二極管、SiC MOSFET 器件和碳化硅絕緣柵雙極晶體管（SiC BJT/SiC IGBT）等 SiC 晶體管兩大類。SiC 從上個(gè)世紀(jì) 70 年代開始研發(fā)，2001 年SiC-SBD 開始商用，2010 年 SiCMOSFET 開始商用，而 SiC-IGBT 的商用仍存在挑戰(zhàn)。隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提 高，使得 SiC 器件制備能夠在目前現(xiàn)有 6 英寸 Si 基功率器件生長線上進(jìn)行，這將進(jìn)一步降低 SiC 材料和器件成本，推進(jìn) SiC 器件和模塊的普及。當(dāng)前，國際上 600～1700VSiC-SBD、MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐 壓水平在 1200V 以下，封裝形式以 TO 封裝為主。價(jià)格方面，國際上的 SiC 產(chǎn)品價(jià)格是對應(yīng) Si 產(chǎn)品的 5～6 倍， 正以每年 10%的速度下降，隨著上游材料紛紛擴(kuò)產(chǎn)上線，未來 2～3 年后市場供應(yīng)加大，價(jià)格將進(jìn)一步下降， 預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對應(yīng) Si 產(chǎn)品 2～3 倍時(shí)，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢將推動 SiC 逐步占領(lǐng) Si 器件的 市場空間。
來源：
1.《一文看懂碳化硅行業(yè)》-馭勢資本
2.《碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈深度解析》-樂晴智庫精選
3.《第三代半導(dǎo)體碳化硅行業(yè)深度研究報(bào)告》-中信建投證券
