第三代半導(dǎo)體碳化硅行業(yè)深度研究報告
第三代半導(dǎo)體碳化硅行業(yè)深度研究報告
今日半導(dǎo)體 半導(dǎo)體圈子 2022-03-14 14:52
一、碳化硅 SiC 為第三代半導(dǎo)體材料
1.1、半導(dǎo)體材料市場廣闊
半導(dǎo)體行業(yè)市場規(guī)模較大，產(chǎn)業(yè)鏈較長，技術(shù)門檻較高且應(yīng)用廣泛，是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體 行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游半導(dǎo)體材料、中游半導(dǎo)體元件以及下游應(yīng)用領(lǐng)域。上游材料半導(dǎo)體材料是一類具有 半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間）、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。
中游半導(dǎo)體 元件主要包括集成電路、傳感器、分立器件以及光電子器件，集成電路（IC）是一種微型電子器件或部件，通過特殊工藝把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起；傳感器是實現(xiàn)自動檢測和 自動控制的首要環(huán)節(jié)；分立器件是具有單一功能的電路基本元件，如晶體管、二極管、電阻、電容、電感等；光電子器件是光纖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成要件，多應(yīng)用于 5G 通信等領(lǐng)域。半導(dǎo)體元件可應(yīng)用于下游消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、 工業(yè)控制、新能源、軌道交通及光電顯示等主要領(lǐng)域。
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)不斷上升趨勢，半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的主要組成部分。近年來全球半 導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)不斷上升趨勢，2014 至 2020年全球半導(dǎo)體銷售額年復(fù)合增長率為 4.6%。中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)同樣呈現(xiàn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，在政策大力支持與下游應(yīng)用快速繁榮等因素的推動下，2014 至 2020 年中國半導(dǎo)體銷售 額年復(fù)合增長率達(dá) 8.7%，占全球半導(dǎo)體銷售額比例由 2014 年的 27%上升至 2020 年的 34%，是當(dāng)前全球最大 的半導(dǎo)體消費市場。半導(dǎo)體材料在集成電路和分立器件等半導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中起關(guān)鍵作用。常見的半導(dǎo)體 制造材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體及砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半 導(dǎo)體材料，其中以碳化硅、氮化鎵等化合物為材料的半導(dǎo)屬于第三代化合物半導(dǎo)體材料。
半導(dǎo)體材料市場空間廣闊，制造材料銷售額占比不斷提高。全球半導(dǎo)體材料銷售額規(guī)模不斷上升，2015 年至 2019 年復(fù)合增長率為 4.8%；中國大陸半導(dǎo)體材料市場快速增長，2015 至 2019 年復(fù)合增長率達(dá) 9.3%，占 全球半導(dǎo)體材料銷售額比例不斷攀升，由 2015 年的 14%增長至 2019 年的 16.7%。從材料類別來看，半導(dǎo)體制造材料銷售規(guī)模占全部半導(dǎo)體材料銷售額比例超50%，且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，2015 至 2019 年制造材料銷售 額復(fù)合增長率達(dá) 8.1%，而封裝材料 2015 至 2019 年銷售額復(fù)合增長率為-0.1%。
1.2、第三代半導(dǎo)體制造材料碳化硅性能優(yōu)勢突出
第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）為代表的元素半導(dǎo)體材料，應(yīng)用極為普遍，包括集成電路、 電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機(jī)等。其中，最典型的應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體 管和探測器中。硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材 料制作的。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點決定了它 不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率；且其帶隙寬度較窄，飽和電子遷移率較低，不利于研制高頻和高功率電子器件， 硅基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合就達(dá)到其性能的極限。
第二代半導(dǎo)體材料主要是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物材料，目前手機(jī)所使用的關(guān)鍵 通信芯片都采用類似材料制作。砷化鎵材料的電子遷移率約是硅的 6 倍，具有直接帶隙，故其器件相對硅基器 件具有高頻、高速的光電性能，因此被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件 的關(guān)鍵襯底材料。由于第二代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不夠大，擊穿電場較低，限制了其在高溫、高頻和高功率 器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，由于砷化鎵材料的毒性，可能引起環(huán)境污染問題，對人類健康存在潛在的威脅。
第三代半導(dǎo)體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代 表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，多在通信、新能源汽車、高鐵、衛(wèi)星通信、航空航天等場景中應(yīng)用，其中碳化硅、氮 化鎵的研究和發(fā)展較為成熟。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱 導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此，采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更 高的溫度下穩(wěn)定運行，適用于高電壓、高頻率場景，此外，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。
碳化硅是由碳和硅組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，具有多種同素異構(gòu)類型，是世界上硬度排名第三的 物質(zhì)，在熱、化學(xué)和機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。在物理性質(zhì)上，SiC 具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱率、高熱穩(wěn)定性以及散熱性好的特點；在化學(xué)性質(zhì)上，SiC 表面易形成硅氧化物薄膜以防止其進(jìn)一步氧化，但在高溫下該氧化膜會迅速發(fā)生氧化反應(yīng)。
碳化硅的典型結(jié)構(gòu)可分為兩類，一類是閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方碳化硅晶型，稱為 3CSiC 或 β-SiC，這里 3 指的是周期表性次序中面的數(shù)目；另一類是六角型或菱形結(jié)構(gòu)的大周期結(jié)構(gòu)其中典型的 有 6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC 等，統(tǒng)稱為 α-SiC。其中，4H-SiC 和 6H-SiC 是兩種半導(dǎo)體所需的材料，碳化硅 與其他半導(dǎo)體材料具有相似的特性，4H-SiC 的飽和電子速度是 Si 的兩倍，從而為 SiC 元件提供了較高的電流 密度和較高的電壓，常被用來作為碳化硅功率器件。而 6H-SiC 和 4H-SiC 最大的差異在于 4H-SiC 的電子遷移 率是 6H-SiC 的兩倍，這是因為 4H-SiC 有較高的水平軸（a-aixs）的移動率。在碳化硅晶體生長過程中需要精 確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶 體不合格。
碳化硅在半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料，基于其優(yōu)良的特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于 硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，當(dāng)前碳化硅襯底已應(yīng)用于射頻器件及功率 器件。
1.3、碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈詳概況
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)。
1.3.1 襯底
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 較長時間。
碳化硅晶體生長是碳化硅襯底制備的關(guān)鍵技術(shù)，目前行業(yè)采用主流的方法為物理氣相傳輸法（PVT）。碳 化硅襯底行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)，是材料、熱動力學(xué)、半導(dǎo)體物理、化學(xué)、計算機(jī)仿真模擬、機(jī)械等交叉學(xué)科應(yīng)用，其制作過程首先是使晶體生長形成碳化硅晶錠，將其加工和切割形成碳化硅晶片后通過對晶片進(jìn)行研 磨、拋光和清洗最終形成碳化硅襯底。碳化硅晶體生長是碳化硅襯底制備的關(guān)鍵點，SiC 單晶主要有物理氣相 傳輸法（PVT）、頂部籽晶溶液生長法（TSSG）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）三種方法。
其中，TSSG 法 生長晶體尺寸較小目前僅用于實驗室生長，商業(yè)化的技術(shù)路線主要是 PVT 和 HTCVD，而與 HTCVD 法相比， 采用 PVT 法生長 SiC 單晶具有所需設(shè)備簡單、操作容易控制、設(shè)備價格以及運行成本低等優(yōu)點。因此，PVT 法是目前工業(yè)生產(chǎn)晶體所采用的主要方法，WolfSpeed 公司、II-VI 公司、SiCrystal、天科合達(dá)、山東天岳等國 內(nèi)外主要碳化硅晶片生產(chǎn)企業(yè)均采用 PVT 法，該法首先在高溫區(qū)將材料升華，然后輸送到冷凝區(qū)使其成為飽 和蒸氣，最后經(jīng)過冷凝成核而長成晶體?；?PVT法制備碳化硅襯底的工藝流程主要包含原料合成、晶體生長、晶錠加工、晶體切割及晶片處理五大工藝流程。
1.3.2 外延
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。
外延的質(zhì)量受到晶體和襯底加工的影響，處在產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。由于 碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導(dǎo)通型單晶襯底 上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響非常大。以 往器件大多是在低電壓的環(huán)境工作，但隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，碳化硅外延材料 不斷向低缺陷、厚外延方向發(fā)展。電壓越大，所需要的外延就越厚，在 600 伏的低壓情況下，器件需要的外延 厚度大約為 6μm；在中壓 1200~1700 伏下，需要的厚度為 10~15μm；在 1 萬伏以上的高壓情況下，需要的厚度 為 100μm 以上。在核心參數(shù)方面，外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度在低壓、中壓領(lǐng)域已經(jīng)可以做到相對較優(yōu) 的水平，但在高壓領(lǐng)域，還有很多難題需要攻克，包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。在中低壓應(yīng)用 領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對成熟，基本可以滿足中低壓 SBD、MOS、JBS 等器件需求；在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，器 件的類型趨向于使用雙極器件。
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 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現(xiàn)規(guī)?；a(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。
1.3.3 碳化硅功率器件
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。價格方面，國際上的 SiC 產(chǎn)品價格是對應(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，價格將進(jìn)一步下降， 預(yù)計價格達(dá)到對應(yīng) Si 產(chǎn)品 2～3 倍時，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。
碳化硅功率二極管主要有肖特基二極管（Schottky Barrier Diode，SBD）、PIN 二極管（SiC-PIN）和結(jié)勢壘控 制肖特基二極管（SiC-JBS）三種，主要應(yīng)用在電力電源領(lǐng)域，工作在開關(guān)狀態(tài)。（1）SiC-SBD 為肖特基勢壘二 極管，利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的一種熱載流子二極管，也被稱為金屬－半導(dǎo)體 （接觸）二極管或表面勢壘二極管，結(jié)構(gòu)與硅肖特基勢壘二極管基本相同，僅電子移動、電流流動。與 Si-SBD 相比，SiC-SBD 不僅擁有優(yōu)異的高速性且實現(xiàn)了高耐壓，Si-SBD 的耐壓極限為 200V，而 SiC 具有硅 10 倍的擊穿 場強(qiáng)。
此外，SiC-SBD 還擁有正向特性以及優(yōu)異的 TRR 特性，而且?guī)缀鯖]有溫度及電流依賴性。當(dāng)前主流的 SiC-SBD 產(chǎn)品耐壓極限為 1200V，同時羅姆公司在推進(jìn) 1700V 耐壓的產(chǎn)品。（2）SiC-PIN 是一個在射頻和微波頻段受偏置電流控制的可變阻抗器．它的結(jié)構(gòu)有三層，在碳化硅半導(dǎo)體二極管的 P 結(jié)和N結(jié)中間夾著高阻值的本 征 I 層。與硅基 PIN 二極管相比，碳化硅 PIN 二極管具有高于硅的 2-3個數(shù)量級的開關(guān)速度、高結(jié)溫承受能力、 高電流密度以及更高的功率密度。（3）由于 SBD 和 PiN 二極管為主的傳統(tǒng)二極管己無法滿足高頻、大功率、低 功耗的市場需求,前者擊穿電壓低、反向漏電大，而后者高頻特性較差，由此 JBS 應(yīng)運而生,該結(jié)構(gòu)將 SBD 結(jié)構(gòu) 和 PiN 結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合在一起,具有高耐壓、低壓降、小漏電、高頻特性好及強(qiáng)抗過壓和浪涌電流能力，SiCJBS 較 Si-JBS 具有大電流密度、高工作結(jié)溫的性能優(yōu)勢。
SiC MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是以碳化硅為襯底的金屬-氧化 物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。在 300V 以下的功率器件領(lǐng)域， Si MOSFET 器件是首選，具有較為理想的柵極電阻、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在 SiC MOSFET 的開發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級的 Si-MOSFET 相比，SiC MOSFET（以英飛凌產(chǎn)品為例）的優(yōu)勢有：
（1）開關(guān)損耗低，在 25℃結(jié)溫下，SiC-MOSFET 關(guān)斷損耗大約是 IGBT 的 20%，在 175℃的結(jié)溫下，SiC MOSFET 關(guān)斷損 耗僅有 IGBT 的 10%（關(guān)斷 40A 電流），且開關(guān)損耗溫度系數(shù)很?。唬?）導(dǎo)通損耗低，當(dāng)負(fù)載電流為 15A 時，在 常溫下，SiC MOSFET 的正向壓降只有 IGBT 的一半，在 175℃結(jié)溫下，SiC MOSFET 的正向壓降約是 IGBT 的 80%；（3）體二極管續(xù)流特性好，在常溫及高溫下，1200V SiC MOSFET 體二極管僅有 Si MOSFET 體二極管 Qrr 的 10%。因此，SiC MOSFET 電阻、開關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提 高了高溫穩(wěn)定性，由此在新能源汽車電機(jī)控制器、車載電源、太陽能逆變器、充電樁、UPS、PFC 電源等領(lǐng)域 有廣泛應(yīng)用。
碳化硅絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor , IGBT）是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動 式功率半導(dǎo)體器件，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?。SiC IGBT 結(jié)合了 SiC MOSFET 和 SiC 晶體管的優(yōu)點，得益 于 SiC 的寬禁帶和極高的電壓等級，SiC 基 IGBT 的性能與 Si 基 IGBT 最大的差別是動靜態(tài)特性。正向性是靜 態(tài)特性的重要組成部分，也就是導(dǎo)通特性，SiC IGBT 的正向?qū)娮枰话愕陀?Si IGBT 和 SiC MOSFET，主要 是由于其漂移區(qū)厚度小、電導(dǎo)調(diào)制更短所致，且 n 溝道 SiC IGBT 相較于 p 溝道的 SiC IGBT 正向特性更優(yōu)。此 外，動態(tài)特性方面，與 Si IGBT 類似，SiC IGBT 由于其材料的特性，導(dǎo)致動態(tài)參數(shù)有所不同；門極驅(qū)動方面， SiC IGBT 的驅(qū)動和 Si 基 IGBT 在整體上差別不大，需要考慮到高絕緣性能、低耦合電容、低成本、尺寸、高 效率和高可靠性等因素。
對于 SiC IGBT，SiC 晶片質(zhì)量、SiC/SiO2 界面特性、電磁干擾和短路耐受能力等卻限制了它的使用，SiC IGBT 的制備存在一系列挑戰(zhàn)。（1）碳化硅晶片的質(zhì)量直接決定其 IGBT 器件的性能、可靠性、穩(wěn)定性和產(chǎn)率。碳化硅晶圓中材料的固有缺陷和外延生長的結(jié)構(gòu)缺陷會大大降低碳化硅 IGBT 的載流子壽命，高壓 SiC 雙極型 器件需要很長的載流子壽命來降低導(dǎo)通壓降，此外，壽命分布不均勻、不同缺陷密度之間的權(quán)衡等各類問題同 樣存在。大尺寸、高質(zhì)量材料和低缺陷密度外延生長工藝都是實現(xiàn) SiC IGBT 的關(guān)鍵。
（2）使用 SiO2 來作為柵極的氧化層，帶來 SiC/SiO2 界面性能新問題。SiC IGBT 可以像 Si 基的一樣較容易形成 SiO2 層，但是在氧化 的過程中，除了近界面陷阱外，還會引入額外的 C 簇，使得 SiC/SiO2 界面陷阱密度遠(yuǎn)大于 Si/SiO2，導(dǎo)致 SiCMOS的溝道遷移率大大降低；在 4H-SiC IGBT 中，SiO2 中的電場是 SiC 中的 2.5 倍，與 Si IGBT 相比，SiC IGBT中較高的臨界電場使得 SiO2 的電場更高。（3）結(jié)端擴(kuò)展(JTE)和場限環(huán)(FLRs)是目前 SiC IGBT 的兩種主 要終端技術(shù)，前者主要用于低壓器件，后者用于高壓器件，但 FLRs 在高壓器件中需要消耗很大的面積。（4） SiC IGBT 仍封裝在線綁定的模塊中，綁定線失效和焊料的失效是常見的壽命限制因素。因此，從 SiC IGBT 的 原材料到制備工藝到終端技術(shù)都存在阻礙 SiC IGBT 商業(yè)化的技術(shù)難點。
二、需求：下游產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用爆發(fā)，SiC 市場需求紅利釋放
2.1 SiC 市場處于成長期，規(guī)模增長迅速
第三代半導(dǎo)體高速發(fā)展，市場紅利逐步釋放。2019 年及以前，以 SiC 和 GaN 為主的第三代半導(dǎo)體材料處 于發(fā)展初期，晶圓設(shè)備開發(fā)、襯底外延制造、下游器件生產(chǎn)均處于研發(fā)階段且尚未形成規(guī)模量產(chǎn)。隨著美國、 韓國、日本等半導(dǎo)體強(qiáng)國大力進(jìn)行第三代半導(dǎo)體的相關(guān)研發(fā)，2020 年在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用爆發(fā)的推動下，第三 代半導(dǎo)體正式進(jìn)入高速發(fā)展期。目前，SiC 襯底和外延技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用于 8 英寸節(jié)點，相較于傳統(tǒng)硅晶圓的 12 英寸來說仍有量級差距；SiC 功率器件（SBD、MOSFET）目前廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng) 域，國際領(lǐng)先企業(yè)已實現(xiàn) MOSFET 器件的量產(chǎn)。此外，中國也發(fā)布了多項半導(dǎo)體行業(yè)建設(shè)政策，旨在打造國 產(chǎn)先進(jìn)半導(dǎo)體企業(yè)，這對第三代半導(dǎo)體的市場擴(kuò)大具有積極意義。我們認(rèn)為，第三代半導(dǎo)體已進(jìn)入高速成長期， 市場紅利正在逐步釋放，下游應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展將推動 SiC 市場的高增長，并加劇行業(yè)競爭。
2.2 新能源汽車
目前，SiC 器件在 EV/HEV 上的應(yīng)用主要包括電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC）、電動 汽車車載充電系統(tǒng)（OBC）及非車載充電樁等方面?；?SiC 的解決方案使汽車電動系統(tǒng)效率更高、重量更 輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊，盡管碳化硅器件成本較高，但它推進(jìn)了電池成本的下降和續(xù)航里程的提升，降低了單車成 本，無疑是新能源汽車最佳選擇。其中，SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要應(yīng)用于 OBC 與 DC/DC，SiC MOSFET 主要用于電驅(qū)動。根據(jù) WolfSpeed 預(yù)測，新能源汽車是 SIC 器件應(yīng)用增長最快的市場，預(yù)計 2022- 2026 年的市場規(guī)模從 16 億美元到 46 億美元，復(fù)合年增長率為 30%，其中到 2026 年用于電機(jī)驅(qū)動逆變器仍是 最大市場，占比超過 80%。
電驅(qū)動系統(tǒng)一般由驅(qū)動電機(jī)、離合器、齒輪箱和差速器組成，這是純電動汽車傳動系統(tǒng)布置的常規(guī)形式。在新能源汽車中，功率器件是電驅(qū)動系統(tǒng)的主要組成部分，對其效率、功率密度和可靠性起著主導(dǎo)作用。目前， 新能源汽車電驅(qū)動部分主要就硅基功率器件組成。隨著電動汽車的發(fā)展，對電驅(qū)動的小型化和輕量化提出了更 高的要求。當(dāng)前，比亞迪、特斯拉等部分車型已經(jīng)使用了碳化硅功率器件的電機(jī)驅(qū)動控制器。特斯拉處在碳化 硅器件應(yīng)用的前列，其最新產(chǎn)品 Model S Plaid 便使用了以 SiC 為主要材料的電動逆變器，現(xiàn)已成為全球百米 加速最快的車型。此外，特斯拉旗下的 Model Y 和 Model 3 也均采用了 SiC MOSFET 逆變器技術(shù)，其續(xù)航能 力和逆變效率都有了顯著提升，且在 2020 年全球新能源乘用車車型銷量中均進(jìn)入前十。比亞迪推出的“漢” EV 高性能四驅(qū)版本也配備了 SiC MOSFET 功率控制模塊，是中國首個采用相關(guān)技術(shù)的車型。新能源汽車新秀 蔚來在 2021 年發(fā)布的純電轎車中，也將會采用 SiC 模塊作為電驅(qū)動平臺。
電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng) DC/DC 是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，DC/DC 轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓 型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及升降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，車載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可將動力電池輸 出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電?；谔蓟柩兄频墓β势骷瑸闅淠芷嚾剂想姵?DC/DC 變換器帶來革 命性的創(chuàng)新。開關(guān)頻率高、功率密度大是 SiC 基功率器件最為顯著的優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)基于 IGBT 模塊變換器產(chǎn) 品，開關(guān)頻率提升 4 倍以上、功率密度提升 3 倍以上，系統(tǒng)平均效率大于 97%，最高效率可達(dá) 99%。
車載充電機(jī)（OBC）是完成將交流電轉(zhuǎn)換為電池所需的直流電，并決定了充電功率和效率的關(guān)鍵部件。汽車由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡婒?qū)動，最明顯的變化就是發(fā)動機(jī)和油箱分別被電機(jī)和電池取代了，同時隨之而來的 便是其它輔助器件的增加，如增加了 OBC 為電池充電。SiC SBD、SiC MOSFET 等器件可使得 OBC 的能量損 耗減少、熱能管理改善。根據(jù) WolfSpeed，相較于傳統(tǒng)的硅基器件，OBC 采用碳化硅器件可使其體積減少 60%，BOM 成本將降低 15%。此外，雙向逆變技術(shù)是未來 OBC 標(biāo)配的功能之一，使 OBC 不僅可將 AC 轉(zhuǎn)化 為 DC 為電池充電，同時也可將電池的 DC 轉(zhuǎn)化為 AC 對外進(jìn)行功率輸出；將 OBC 及 DC/DC 等器件進(jìn)行功能 集成化將會提高成本上、體積上的優(yōu)勢。
碳化硅材料性能上限高，與新能源車高度適配。目前，傳統(tǒng)硅材料在 MOSFET、IGBT、功率 IC 等領(lǐng)域的 器件性能已經(jīng)逐漸接近極限，已無法適應(yīng)新興市場快速發(fā)展的變革需要，基于寬禁帶半導(dǎo)體 SiC 制造的功率器 件具有更為優(yōu)越的物化性能。通過在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延，即可得到適用于新能源汽車、光伏、 交通軌道等領(lǐng)域的功率器件。它們相較于硅基器件具有更高的工作溫度、擊穿電壓以及優(yōu)越的開關(guān)性質(zhì)，其開 關(guān)頻率和功率頻率都輕易突破了傳統(tǒng)材料的上限，因此廣泛用于新能源汽車等領(lǐng)域。
在新能源汽車的應(yīng)用中，SiC 功率器件主要具有以下特點：1）顯著降低散熱器的體積和成本：在主流的HEV（混合動力汽車）中，車載逆變器的散熱器件具有兩套水冷系統(tǒng)，冷卻溫度均在 75-105 攝氏度。由于碳 化硅具有的導(dǎo)熱性能幾乎為 Si 的三倍，因此在高溫環(huán)境中 SiC-SBD 具有極佳的優(yōu)勢。若將兩套冷卻系統(tǒng)合二 為一，HEV 散熱器的成本和體積就可以得到有效地改善；2）減小功率模塊的體積：SiC功率器件的電流密度、 開關(guān)損耗都顯著低于 Si 基器件，這使得同樣的功率下，SiC-MOSFET 和 SiC SBD 可以在 100kHz 開關(guān)頻率下工作。SiC功率器件的封裝體積顯著低于 Si-IGBT，同時高頻工作環(huán)境也能夠減少器件的成本；
3）提高系統(tǒng)效率：傳統(tǒng) Si-IGBT 的導(dǎo)通電阻較大，在開關(guān)過程中具有較大的反向電流，趨于穩(wěn)定的過程中會產(chǎn)生巨大的損耗。SiC-SBD 器件則具有優(yōu)越的正向壓降和反向電流，可以有效降低器件的損耗，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。目 前，SBD 是新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用最成熟的 SiC 器件，MOSFET 在國外范圍內(nèi)也得到了初步地生產(chǎn)和應(yīng)用。實 際上，SiC-SBD/MOSFET 的耐壓范圍已經(jīng)與 Si-SBD(FRD) / Si-MOSFE(IGBT)十分接近，由于耐壓范圍的全 覆蓋，目前無需制作成本更高的 SiC-IGBT 器件，這也意味著碳化硅器件的性能上限要遠(yuǎn)高于硅基器件。
新能源汽車市場日益火爆，需求釋放推動碳化硅市場快速增長。2020 年，全球新能源汽車市場銷量為 400 萬輛，其中插電混合動力 PHEV 類占比 37.50%，純電動BEV 類占比 67.50%，是當(dāng)前市場的主要品類。我們預(yù)計，2021-2025年全球新能源汽車的銷量將以 14%的 CAGR 快速增長。同時，中國已成為全球最大的新能源汽 車市場，2020 年總體銷量為 116 萬臺，占全球市場的29.00%，未來五年的 CAGR 預(yù)測為 31%。新能源汽車市 場的日益火爆，極大地拉升了碳化硅市場的增長幅度。
2019 年，全球新能源汽車 IGBT 的市場規(guī)模約為 2.25 億美元，預(yù)計該數(shù)值 2025 年將為 15.53 億美元，市場將以 38%的 CAGR 快速增長。同時，新能源汽車市場的 應(yīng)用也占據(jù)了碳化硅器件總市場的 41.59%，預(yù)計這一占比將于2025 年提升至 60.62%。目前，用于電機(jī)驅(qū)動 逆變器的碳化硅功率器件是車用 SiC 產(chǎn)品中最主要且潛在增長空間最巨大的部分，碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域的 應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了批量生產(chǎn)的臨界區(qū)域，相關(guān)下游市場的大量需求正在逐步釋放。預(yù)計隨著新能源車市場滲透率 的進(jìn)一步擴(kuò)大，以及功率模塊和相關(guān)應(yīng)用的迅速發(fā)展，碳化硅市場將在中期內(nèi)迎來爆發(fā)。
目前，全球的碳化硅廠商也在積極尋求合作，紛紛與先進(jìn)新能源汽車企業(yè)簽訂協(xié)議。特斯拉 Model 3 所采 用的 SiC MOSFET 功率模塊正是由意法半導(dǎo)體提供的，且后者與碳化硅領(lǐng)先企業(yè) Woifspeed 簽訂了 150mm 碳 化硅晶圓擴(kuò)展協(xié)議，旨在為全球的 SiC 晶圓供給加碼。此外，意法半導(dǎo)體還于 2021 年 6 月與雷諾集團(tuán)達(dá)成戰(zhàn)略合作，以提供用于電動和混合動力汽車的 SiC 功率器件供應(yīng)，此舉旨在降低汽車的電池成本、增加充電里程、 縮短充電時間最終使成本降低近 30%。
同時，日本先進(jìn)半導(dǎo)體制造商 ROHM 也于 2021 年 9 月與吉利汽車達(dá) 成合作，后者將使用 ROHM 提供的 SiC 功率器件實現(xiàn)高效的逆變效率和充電性能，從而進(jìn)一步提高用戶體驗。WolfSpeed 也為鄭州宇通集團(tuán)提供了 1200V 的 SiC 功率器件，后者交付的首輛電動客車采用了碳化硅解決方案。目前，全球頂尖碳化硅器件制造商都紛紛與新能源車企尋求合作，以擴(kuò)大自身在相關(guān)市場的領(lǐng)先地位，新能源 汽車市場的快速發(fā)展必將加劇全球碳化硅企業(yè)的競爭，預(yù)計市場集中度將進(jìn)一步提高。
電動電子和逆變器領(lǐng)域，據(jù) ev-sales.blog 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021 年包括插電混動、純電動、燃料電池在內(nèi)的新能 源乘用車全球銷量達(dá)到了 649.54 萬輛。2021 年特斯拉全球新能源乘用車銷量為 93.62 萬輛，市占率達(dá) 14.4%， 位列全球首位。其中，Model 3 銷量為 50.07 萬輛，市占率達(dá) 7.7%。特斯拉的熱門型號車型將保持對 SiC 功率 器件的搭載，結(jié)合其較高的市場占有率，這將繼續(xù)推動 SiC 器件的需求高漲。車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方 面，碳化硅功率器件能夠有效降低開關(guān)損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率，目前全球已有超過 20 家汽 車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件。碳化硅器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積， 提高充電速度。2020 年 12 月，豐田汽車推出并公開發(fā)售“Mirai”燃料電池電動汽車，這是豐田汽車首次使用 碳化硅功率器件。預(yù)計未來五年內(nèi)，隨著碳化硅相關(guān)功率器件在新能能源汽車中的滲透率上升，碳化硅市場將 會迎來更為快速的增長，我們對此抱有樂觀預(yù)期。
2.3 太陽能光伏
碳化硅物化性質(zhì)優(yōu)越，光伏原材料迭代升級。碳化硅具有較寬的帶隙，導(dǎo)熱能力近乎達(dá)到了硅原料的 3 倍， 在太陽能光伏領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。與傳統(tǒng)的 Si 材料相比，SiC 具有極高的擊穿電壓和較低的導(dǎo)通電阻，因 而其功率器件擁有更好的開關(guān)效率并且能高效地進(jìn)行熱量積累。碳化硅制造的高電壓 MOSFET 具有優(yōu)越的開 關(guān)性能，其功能不受溫度影響，由此能很好地在升溫系統(tǒng)中保持穩(wěn)定效力。此外，SiC MOSFET 也可以在具 備高轉(zhuǎn)換頻率的同時，擁有 99%以上的逆變效率。因此，SiC 可以廣泛應(yīng)用于太陽能光伏功率器件，主要包括 光伏逆變器、控制器、功率模組等。盡管碳化硅器件具有較高的制造成本，但其高導(dǎo)熱率、高擊穿電場、低損 耗等特性，都使得光伏系統(tǒng)效率更高，從而進(jìn)一步降低成本。無論從光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的材料制造看，還是從下 游應(yīng)用的高效能看，碳化硅都具有無與倫比的高效能。預(yù)計中長期內(nèi)，碳化硅將會成為太陽能光伏領(lǐng)域功率器 件的主要制造原料，同時帶動產(chǎn)業(yè)鏈整體實現(xiàn)迭代升級。
光伏新能源市場發(fā)展空間廣闊，碳化硅材料仍有較大潛在空間。2018年我國能源消費中煤炭消費占比高 達(dá) 59%，風(fēng)光等優(yōu)質(zhì)能源消費占比僅 4%。而根據(jù)“十四五”規(guī)劃要求，2025 年要實現(xiàn)單位 GDP 能源消耗降 低 13.5%，光伏等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間廣闊。2020 年，全球光伏能源需求為 130GW，樂觀情況下預(yù)計 2025 年 該項指標(biāo)將到達(dá) 330GW，以 20.48%的 CAGR 快速增長。即使在保守情況下，全球光伏需求也將以 15.74%的 CAGR 提升，預(yù)計 2025 年實現(xiàn) 270GW 的廣泛需求。
同時，2019年全球太陽能光伏碳化硅 IGBT 市場規(guī)模約為 1.25 億美元，未來五年內(nèi)將以 17%的 CAGR 快速增長，預(yù)計 2025 年將到達(dá) 3.14 億美元。目前，全球的光伏IGBT 市場規(guī)模約為 23 億元，碳化硅器件占比約為 35%，該滲透率仍將繼續(xù)增長。我們認(rèn)為，隨著全球光伏需求的進(jìn)一步增長，以及碳化硅 IGBT 器件滲透率的不斷提高，表現(xiàn)強(qiáng)勢的太陽能光伏市場將持續(xù)拉升對碳化硅 的需求，并進(jìn)一步推動碳化硅功率器件市場的快速增長，碳化硅材料增長潛在空間仍然巨大。
光伏功率器件性能顯著，諸多領(lǐng)先廠商紛紛加碼。在光伏太陽能領(lǐng)域中，以硅為原料制作的逆變器成本約為系統(tǒng)總體的 10%，但卻是能量損耗的來源之一。然而，以碳化硅為基礎(chǔ)的 MOSFET 和功率模組可以將光伏 逆變器的轉(zhuǎn)換效率從提高至 99%以上，能量損耗可以減少 50%以上，設(shè)備壽命提高 50 倍左右。目前，國外領(lǐng) 先碳化硅功率器件廠商意法半導(dǎo)體、ROHM 都已實現(xiàn)了 MOSFET 器件的量產(chǎn)，并將廣泛應(yīng)用于光伏太陽能領(lǐng)域。同時，國際著名半導(dǎo)體器件制造商 Onsemi已推出了適用于光伏逆變器的 SiC 功率模組，該模組集成了 1200V 40m的 MOSFET 和升壓二極管，將較好地提升逆變器的性能效率。
著名太陽能和光伏組件制造商 Tainergy Tech 也已成立相關(guān)子公司，專門生產(chǎn)用于 GaN 外延的 SiC 襯底，并且致力于實現(xiàn)碳化硅對自身業(yè)務(wù)發(fā)展的良好推動。國內(nèi)方面，三安集成也已完成 SiC 器件的量產(chǎn)平臺打造，其首發(fā)產(chǎn)品 1200V 80m碳化硅 MOSFET 已實現(xiàn)了一系列性能和可靠性測試，可應(yīng)用于光伏系統(tǒng)組成。此外，露笑科技和斯達(dá)半導(dǎo)體也積極 投入碳化硅器件生產(chǎn)，并廣泛布局光伏業(yè)務(wù)。目前，無論是領(lǐng)先的半導(dǎo)體器件制造商，還是先進(jìn)的太陽能光伏 組件企業(yè)，都積極投入碳化硅IGBT，并使其廣泛應(yīng)用于光伏領(lǐng)域。我們預(yù)計，未來五年內(nèi)碳化硅功率器件將更為廣泛地應(yīng)用于光伏市場，后者亦將為 SiC 器件帶來至少 15%以上的快速增長。
2.4 充電基礎(chǔ)設(shè)施
中國累計充電樁數(shù)量創(chuàng)新高，車樁比例趨向合理。截止 2021 年 7 月，中國累計充電樁數(shù)量約為 201 萬臺， 同比增長 20%，近六年 CAGR 為 76.69%，整體呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。目前，新能源汽車充電樁分為公共、專用和 私人用類，還可以分為交流充電和直流充電兩類。2020年我國主要以私人和交流充電樁為主，兩者分別占比 57.45%和 61.67%，是碳化硅器件的主要應(yīng)用方向。然而，我國充電樁數(shù)量仍然低于 480 萬的預(yù)期規(guī)劃，供不應(yīng)求仍將推動充電樁數(shù)量迅速增長，從而創(chuàng)造巨大的市場需求并推動行業(yè)增長。
同時，2015-2020 年中國系能 源汽車和充電樁比例不斷下降，從 6.36 收窄至 2.93，充電樁供應(yīng)迅速提高。盡管充電配套設(shè)施整體有所改善， 但仍然低于比例為 1 的預(yù)期目標(biāo)，市場仍具有較大的增長空間?；?IEA 預(yù)測，預(yù)計 2025年全球充電樁保有量將達(dá)到 4580-6500 萬個，私人充電樁預(yù)計為 3970-5670 萬個，公共充電樁保有量約為 610-830 萬個，整體數(shù) 量迅速增長且仍以私人充電類型為主。與此相適應(yīng)的，預(yù)計 2025 年中國新能源汽車保有量將突破 2500 萬輛， 則充電樁數(shù)量推算約為 800 萬個，復(fù)合增長率將達(dá)到 41.42%左右，市場預(yù)期狀況良好。因此，我們認(rèn)為中國 以及全球的充電樁需求仍存在較大的增長空間，車樁比例仍將進(jìn)一步趨近合理化，從而推動碳化硅市場的發(fā)展。
充電樁市場增長迅速，碳化硅器件助力充電樁性能升級。2019 年中國新能源汽車充電樁市場需求規(guī)模約 為 540 億元，同比增長 29%。預(yù)計 2025 年，中國充電樁市場將以 28.27%的 CAGR 達(dá)到 2400 億元，成長潛力 十分巨大。實際上，SiC MOSFET 和二極管產(chǎn)品具有耐高壓、耐高溫、開關(guān)頻率快的特性，可以很好地用于 充電樁模塊。與傳統(tǒng)硅基期間相比，碳化硅模塊可以增加充電樁近 30%的輸出功率，并且減少損耗高達(dá) 50% 左右。同時，碳化硅器件還能夠增強(qiáng)充電樁的穩(wěn)定性，減小器件系統(tǒng)體積，降低成本并進(jìn)一步增加碳化硅 IGBT 器件在充電樁市場的滲透率。目前，新能源汽車充電樁中碳化硅器件的滲透率僅為 10%左右，仍然具有 很大的潛在發(fā)展空間。2019 年，全球充電樁碳化硅器件市場規(guī)模約為 5 百萬美元，預(yù)計 2025 年將增長至 2.55 億美元，未來六年 CAGR 高達(dá) 90%，增長十分迅速。預(yù)計隨著碳化硅期間滲透率的提高，充電樁需求的持續(xù) 上漲，配套設(shè)施的進(jìn)一步完善，全球充電樁碳化硅器件市場仍將持續(xù)增長，從而引起碳化硅市場的高度火熱。
羅姆等碳化硅器件領(lǐng)先企業(yè)進(jìn)入充電樁市場，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)進(jìn)一步加速。目前，ROHM 已經(jīng)推出了 基于碳化硅的充電基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，從而應(yīng)用于高效和小型化的大功率充電樁。首先，針對單向充電樁羅姆 提出使用 FRD、SiC MOS 和 SBD 的解決方案，可以很好地提高功率密度和充電效率。ROHM 通過高耐壓的 1200V 碳化硅 MOSFET 來削減器件個數(shù)，從而進(jìn)一步降低充電樁的體積。其次，針對雙向充電樁羅姆提出了 三相 B6-PFC 拓?fù)浞桨?，通過使用 1200V 的 SiC MOSFET 和全碳化硅功率模塊，制造具備多功能的小型充電 樁。此外，安森美也在開發(fā)用于直流充電樁的碳化硅功率器件和模塊，希望構(gòu)建更高功率的充電方式，并通過 AC-DC 和 DC-DC 級的升壓轉(zhuǎn)換器提高充電效率。由此可見，碳化硅器件龍頭都在進(jìn)行充電樁技術(shù)模塊的研發(fā)， 英飛凌、WolfSpeed、STM 等公司都在積極進(jìn)入碳化硅充電樁市場。預(yù)計未來，充電樁市場將會迎來更多的發(fā) 展機(jī)遇，領(lǐng)先企業(yè)將發(fā)揮龍頭效應(yīng)，與政府機(jī)構(gòu)積極合作，構(gòu)建更完好的充電樁生態(tài)系統(tǒng)。（報告來源：未來智庫）
三、供給：短期產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)芟抟r底產(chǎn)能，長期產(chǎn)能擴(kuò)張帶來價格下降
3.1 碳化硅襯底制備存在多重挑戰(zhàn)，位于產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)
國際上 6 英寸 SiC 襯底產(chǎn)品實現(xiàn)商用化，未來占據(jù)市場份額主流地位。目前，全球市場上 6 英寸 SiC 襯底 已實現(xiàn)商業(yè)化，且在未來幾年里 6 英寸襯底將占據(jù)市場主要份額。此外，主流大廠也陸續(xù)推出 8 英寸樣品，微 管密度達(dá)到 0.62，預(yù)計 5 年內(nèi) 8 英寸將全面商用。當(dāng)前，WolfSpeed 公司能夠批量供應(yīng) 4 英寸至 6 英寸導(dǎo) 電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開始建設(shè) 8 英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線。2021 年 7 月，意法半導(dǎo)體就宣布其 可制造出首批 8 英寸 SiC 晶圓片。隨著碳化硅基電子電力器件的逐步推廣與應(yīng)用，大直徑襯底可以有效降低器 件制備成本，以 6 英寸襯底為例，使用直徑 150mm 的襯底相較于 4 英寸的襯底能夠節(jié)省 30%的器件制備成本。
碳化硅襯底制備面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)，降低結(jié)晶缺陷密度技術(shù)使得制備成本增加。碳化硅襯底制備主要有以 下技術(shù)難點：
（1）碳化硅襯底制備過程中，碳化硅單晶的制備對于溫度場設(shè)計要求較高。適宜的溫度場是制備 碳化硅單晶的基礎(chǔ)，不適宜的溫度場極易導(dǎo)致單晶開裂等問題。此外，隨著碳化硅襯底直徑的增加，溫度場的 設(shè)計及實現(xiàn)難度也在增加。（2）降低結(jié)晶缺陷密度。襯底中結(jié)晶缺陷（如：微管、穿透性螺位錯（TSD）、基平 面位錯（BPD））會對器件造成負(fù)面影響。由于碳化硅較高的生長溫度，為降低結(jié)晶缺陷密度，傳統(tǒng)的工藝條件 （如掩膜法）已經(jīng)不能滿足低結(jié)晶缺陷密度單晶的生長，勢必需要導(dǎo)入新工藝，增加工藝復(fù)雜性，這會推高單晶成本。因此，需要投入較長的時間及較大的物料成本研發(fā)新工藝，較長的研發(fā)周期可能會阻礙襯底單位面積 成本的下降，且隨著單晶生長厚度的增加，單晶殘余內(nèi)應(yīng)力迅速增加，這會導(dǎo)致單晶結(jié)晶質(zhì)量下降甚至導(dǎo)致單 晶開裂等問題，如何有效兼顧單晶可用厚度及單晶結(jié)晶質(zhì)量存在較大難度。
當(dāng)前，國內(nèi)廠商碳化硅襯底生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)與國際主流廠商相比仍有明顯差距。襯底主要的三個幾何參數(shù) 為 TTV（總厚度偏差）、Bow（彎曲度）及 Wrap（翹曲度），國內(nèi)廠商與國外領(lǐng)先廠商仍存在明顯差距。此外， 產(chǎn)品的一致性問題是難以攻克的短板，國產(chǎn)襯底目前較難進(jìn)入主流供應(yīng)鏈。具體來說，國產(chǎn)襯底技術(shù)短板以及 一致性問題主要包含兩個方面：（1）由于國內(nèi)廠商起步相對較晚，在材料匹配、設(shè)備精度和熱場控制等技術(shù)角 度需要長時間的專門知識累積；（2）國內(nèi)廠商的客戶較少且比較分散，客戶的反饋速度更慢，反饋內(nèi)容不徹底。相比較起來，WolfSpeed 的產(chǎn)品線覆蓋襯底、外延、器件乃至模組，后端反饋充分且及時。因此，國內(nèi)廠商的技術(shù)差距直接導(dǎo)致襯底綜合性能較差，無法用于要求更高的產(chǎn)線中；一致性問則表示優(yōu)質(zhì)襯底比例較低，直接 導(dǎo)致襯底的成本大幅上升，上述兩點導(dǎo)致國內(nèi)廠商制造的襯底還無法進(jìn)入主流供應(yīng)鏈。
3.2 碳化硅外延處于產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，受制于碳化硅襯底技術(shù)缺陷
當(dāng)前外延主要以 4 英寸及 6 英寸為主，大尺寸碳化硅外延片占比逐年遞增。碳化硅外延尺寸主要受制于碳 化硅襯底尺寸，當(dāng)前 6 英寸碳化硅襯底已經(jīng)實現(xiàn)商用，因此碳化硅襯底外延也逐漸從 4 英寸向 6 英寸過渡。在 未來幾年里，大尺寸碳化硅外延片占比會逐年遞增。由于 4 英寸碳化硅襯底及外延的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，因此， 4 英寸碳化硅外延晶片已不存在供給短缺的問題，其未來降價空間有限。此外，雖然當(dāng)前國際先進(jìn)廠商已經(jīng)研 發(fā)出 8 英寸碳化硅襯底，但其進(jìn)入碳化硅功率器件制造市場將是一個漫長的過程，隨著 8 英寸碳化硅外延技術(shù) 的逐漸成熟，未來可能會出現(xiàn) 8 英寸碳化硅功率器件生產(chǎn)線。
碳化硅外延主要解決外延晶片均勻性控制和外延缺陷控制兩大問題。（1）外延晶片均勻性控制方面，由于 外延片尺寸的增大往往會伴隨外延晶片均勻性的下降，因此大尺寸外延晶片均勻性的控制是提高器件良率和可 靠性、進(jìn)而降低成本的關(guān)鍵。（2）外延缺陷控制問題?；嫖诲e（BPD）是影響碳化硅雙極型功率器件穩(wěn)定 性的一個重要結(jié)晶缺陷，不斷降低 BPD 密度是外延生長技術(shù)發(fā)展的主要方向。由于物理氣象傳輸法（PVT）制 備碳化硅襯底的 BPD 密度較高，外延層中對器件有害的 BPD 多來自于襯底中的 BPD 向外延層的貫穿。因此，提 高襯底結(jié)晶質(zhì)量可有效降低外延層 BPD 位錯密度。隨著碳化硅器件的不斷應(yīng)用，器件尺寸及通流能力不斷增加， 對結(jié)晶缺陷密度的要求也不斷增加，在未來技術(shù)的進(jìn)步下，碳化硅外延片結(jié)晶缺陷密度會隨之不斷下降。
3.3 碳化硅功率器件制備存在技術(shù)難點，國外廠商先行
碳化硅中高壓功率二極管商業(yè)化產(chǎn)品逐年增多，主要以碳化硅 SBD 和結(jié)勢壘型 JBS 器件為主。2020 年， 國際上有超過 20 家公司量產(chǎn)碳化硅二極管系列產(chǎn)品，擊穿電壓主要分布在 600V-3300V，根據(jù) Mouser 數(shù)據(jù)顯 示，2020 年共有約 800 款碳化硅 SBD 產(chǎn)品在售，較 2019 年新增 122 款，中高壓商業(yè)化產(chǎn)品逐年增多。碳化硅 SBD 器件當(dāng)前在專利設(shè)計方面幾乎沒有壁壘，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)如派恩杰已經(jīng)開始第六代碳化硅 SBD 的研發(fā)，與國 外差距較小。而碳化硅 SBD 器件制造產(chǎn)線方面，國內(nèi)外差距較為明顯，國內(nèi)碳化硅 SBD 制造產(chǎn)線多數(shù)處于剛通 線的狀態(tài)，還需經(jīng)歷產(chǎn)能爬坡等階段，離大規(guī)模穩(wěn)定量產(chǎn)還有一定距離。
當(dāng)前，碳化硅 MOSFET 制備技術(shù)要求較高，碳化硅 MOSFET 采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮 SiC 的特性， 柵級氧化物形成技術(shù)挑戰(zhàn)較高。平面 SiC MOSFET 的缺陷密度較高，MOSFET 溝道中電子散射降低溝道電子遷移 率從而使得性能下降，即溝道電阻上升、功率損耗上升而溝道電流下降。由于 SiC MOSFET 的 N+源區(qū)和 P 井摻 雜都是采用離子注入的方式，在 1700℃溫度中進(jìn)行退火激活，一個關(guān)鍵的工藝是 SiC MOSFET 柵氧化物的形成， 而碳化硅材料中同時有 Si 和 C 兩種原子存在，因此需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。
碳化硅 MOSFET 質(zhì)量不斷改善推動產(chǎn)品商業(yè)化。自 2010 年以來，碳化硅功率 MOSFET 在汽車、光伏及鐵路 等多個市場取代硅技術(shù)，科瑞公司于 2011 年推出了市場上第一個垂直 N 溝道增強(qiáng)型碳化硅功率 MOSFET，碳化 硅 MOSFET 市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。當(dāng)前，碳化硅 MOSFET 的質(zhì)量不斷改善，已基本達(dá)到業(yè)界使用的要求。以市售的 1200V 碳化硅 MOSFET 為例，其溝道遷移率已經(jīng)提高到適當(dāng)水平，多數(shù)主流工業(yè)設(shè)計的氧化物壽命達(dá)到了可接 受的水平，閾值電壓變得越來越穩(wěn)定。因此，在碳化硅 MOSFET 質(zhì)量不斷改善的激勵下，目前其商用在不斷推 進(jìn)，市場上有多家供應(yīng)商可以供應(yīng)生產(chǎn)水平量的碳化硅 MOSFET。
碳化硅 MOSFET 國外廠商已實現(xiàn)量產(chǎn)，MOSFET 穩(wěn)定性需要時間驗證。目前英飛凌、ST、羅姆等國際大廠 600-1700V 碳化硅 SBD、MOSFET 均已實現(xiàn)量產(chǎn)，而國內(nèi)所有碳化硅 MOSFET 器件制造平臺仍在搭建中，部分公 司的產(chǎn)線仍處于計劃階段，離正式量產(chǎn)還有很長一段距離。同時，最新的 Gen 4 Trench SiC MOSFET 專利被國 外公司掌握，未來可能存在專利方面的問題。產(chǎn)線方面 WolfSpeed、英飛凌等已開始布局 8 英寸線，而國內(nèi)廠 商還在往 6 英寸線過渡。此外，碳化硅 MOSFET 的產(chǎn)品穩(wěn)定性需要時間驗證。根據(jù)英飛凌 2020 年功率半導(dǎo)體應(yīng) 用大會上專家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的時間還非常短，在車載領(lǐng)域才剛開始商用（Model 3 中率先 使用了 SiC MOS 的功率模塊），一些諸如短路耐受時間等技術(shù)指標(biāo)沒有提供足夠多的驗證，SiC MOSFET 在車載 和工控等領(lǐng)域驗證自己的穩(wěn)定性和壽命等指標(biāo)需要較長時間。
3.4 碳化硅襯底迎來產(chǎn)能爆發(fā)期，未來價格有望下降
近年來，全球發(fā)達(dá)國家及中國不斷推出相關(guān)政策支持第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，2002 年2019 年，美國共計出臺了 23 項第三代半導(dǎo)體相關(guān)的規(guī)劃政策，總投入經(jīng)費超過 22 億美元。2020 年全年，雖 然美國并未正式出臺相關(guān)政策，但本年度相關(guān)提案涉及的經(jīng)費超過 480 億美元。2020 年，歐盟 24 個國家中有 17 個國家聯(lián)合發(fā)布了《歐洲處理器和半導(dǎo)體科技計劃聯(lián)合聲明》，宣布了未來 2-3 年內(nèi)對半導(dǎo)體領(lǐng)域的投入將 達(dá)到 1450 億歐元。韓國于 2020 年 6 月，拋出萬億韓元半導(dǎo)體振興計劃，從 2020 年到 2029 年在系統(tǒng)級芯片 （SoC）領(lǐng)域投資總計 1 萬億韓元（約 59 億元人民幣）。日本大力鞏固第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢，日本經(jīng)產(chǎn) 省準(zhǔn)備資助日企和大學(xué)圍繞 GaN 材料部署研發(fā)項目，預(yù)計 2021 年將撥款 2030 萬美元，未來 5 年斥資 8560 萬 美元。我國自 2015 年發(fā)布《中國制造 2025》規(guī)劃以來，近五年不斷推出相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，大力支持國內(nèi)第三代 半導(dǎo)體材料的發(fā)展。
在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的政策支持和行業(yè)快速發(fā)展刺激下，國內(nèi)廠商開始布局碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈。當(dāng)前，在國內(nèi) 政策支持和行業(yè)發(fā)展吸引下，國內(nèi)諸多企業(yè)開始進(jìn)入第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈制造中，如露笑科技、三安光電、天 通股份等上市公司均已公告進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域；斯達(dá)半導(dǎo)在今年 3 月宣布加碼車規(guī)級 SiC 模組產(chǎn)線；而比亞迪半 導(dǎo)體、聞泰科技、華潤微等也有從事 SiC 器件業(yè)務(wù)。此外，天科合達(dá)、山東天岳等國內(nèi)廠商也都走在擴(kuò)產(chǎn)路上。2021 年 8 月，山東天岳子公司上海天岳總投資 25 億元計劃建設(shè)碳化硅半導(dǎo)體材料項目開工，在達(dá)產(chǎn)年將形成 年產(chǎn)導(dǎo)電型碳化硅晶錠 2.6 塊，對應(yīng)襯底產(chǎn)品 30 萬片的產(chǎn)能。項目計劃于 2022 年試生產(chǎn)，預(yù)計 2026 年 100% 達(dá)產(chǎn)，其中 6 英寸半絕緣型襯底預(yù)計在 2023 年形成量產(chǎn)。湖南三安半導(dǎo)體基地一期項目于 2021 年正式投產(chǎn)， 該項目將打造國內(nèi)首條、全球第三條碳化硅全產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線，項目全面建成投產(chǎn)后，月產(chǎn)能將達(dá)到 3 萬片 6 英寸 碳化硅晶圓。
隨著碳化硅襯底制備技術(shù)的提升及產(chǎn)能擴(kuò)張，碳化硅襯底及外延單位面積價格或?qū)⑾陆?。目前主流廠商均 有能力制備低微管密度襯底（<1/cm2），TSD、BPD 密度的降低將會成為襯底廠商研發(fā)工作的重點，因此預(yù)計襯 底中的 TSD 及 BPD 密度將會不斷下降。此外，隨著襯底直徑不斷擴(kuò)大、單晶可用厚度不斷增加，單位面積襯底 成本將不斷降低。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，以直徑 150mm 單晶與直徑 100mm 單晶為例作比較，150mm生長成本大約為 100mm 的 1.5-2 倍，可用面積卻是 100mm 的 2.25 倍。
當(dāng)前單晶 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(jīng)達(dá)到 20mm 左右，預(yù)期單晶的平均可用厚度仍會持續(xù)增加。據(jù)半導(dǎo)體時代產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心（TD）預(yù) 測，在 2020 年至 2025年期間，碳化硅晶片在半導(dǎo)體領(lǐng)域出貨量的復(fù)合增長率將達(dá)到 43.8%，到 2025 年還將 達(dá)到 80 萬片，可大規(guī)模應(yīng)用于電動汽車等領(lǐng)域，碳化硅襯底價格有望下降。碳化硅襯底是碳化硅外延的主要成本來源，未來單位面積價格有望下降。在外延價格構(gòu)成中，襯底占據(jù)了外延 50%以上的成本，隨著襯底價格 下降，碳化硅外延價格也有望降低。碳化硅外延的成本構(gòu)成還包括設(shè)備、廠務(wù)和人工成本部分，隨著設(shè)備的改進(jìn)，此類成本也將降低。隨著客戶對外延質(zhì)量要求的提高，研發(fā)和良率損失部分成本也將保持在 7%左右。
碳化硅電力電子器件價格進(jìn)一步下降，與同類型 Si 器件價差縮小。當(dāng)前碳化硅器件成本約為硅的 4-5 倍， 而器件的主要成本來源是碳化硅襯底，在上游襯底材料商紛紛擴(kuò)產(chǎn)后，未來 2-3年碳化硅襯底供應(yīng)加大，襯底 價格下降有望帶動碳化硅器件的成本下降。以汽車級碳化硅 MOSFET 器件為例，由于使用碳化硅 MOSFET 器 件可以大幅提高汽車性能，目前是新能源汽車電機(jī)控制器、車載電源器件制備的首選，但受制于碳化硅襯底產(chǎn) 能的影響當(dāng)前價格較高。2020 年受疫情影響，產(chǎn)品供貨周期延長，但從全年情況來看，碳化硅器件有所下降， 與傳統(tǒng)產(chǎn)品的價差持續(xù)縮小。
SiC SBD 產(chǎn)品價格略有下降，降幅較前兩年有所收窄。根據(jù) CASA 中 Mouser 數(shù) 據(jù)顯示，650V 的碳化硅 SBD 年底均價較 2019 年底下降了 13.2%，1200V 的碳化硅 SBD 均價 2020 年較 2019 年下降了 8.6%，與硅器件的差距在 4.5 倍左右。SiC MOSFET 降價明顯，與硅器件價差收窄到 2.5~3 倍之間。根據(jù) CASA 中的 Mouser 數(shù)據(jù)，650V、900V、1200V、1700V 的 SiC MOSFET 在 2020 年底的平均價格分別同 比下降了 13%、2%、27.62%、33.4%。而從實際成交價格來看，650V、1200V 的 SiC MOSFET 價格較 2019 年 下降幅度達(dá) 30%-40%，與 Si 器件價差也縮小至 2.5~3 倍之間。因此，隨著 6 英寸晶圓不斷擴(kuò)產(chǎn)形成規(guī)模經(jīng)濟(jì) 后，碳化硅 MOSFET 的價格有望下降。
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