第三代半導體碳化硅行業(yè)深度研究報告
第三代半導體碳化硅行業(yè)深度研究報告
今日半導體 半導體圈子 2022-03-14 14:52
一、碳化硅 SiC 為第三代半導體材料
1.1、半導體材料市場廣闊
半導體行業(yè)市場規(guī)模較大，產業(yè)鏈較長，技術門檻較高且應用廣泛，是現代電子信息產業(yè)的基礎。半導體 行業(yè)的產業(yè)鏈主要包括上游半導體材料、中游半導體元件以及下游應用領域。上游材料半導體材料是一類具有 半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間）、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。
中游半導體 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絡的構成要件，多應用于 5G 通信等領域。半導體元件可應用于下游消費電子、網絡通信、 工業(yè)控制、新能源、軌道交通及光電顯示等主要領域。
全球半導體產業(yè)規(guī)模呈現不斷上升趨勢，半導體材料是半導體產業(yè)鏈上游的主要組成部分。近年來全球半 導體產業(yè)規(guī)模呈現不斷上升趨勢，2014 至 2020年全球半導體銷售額年復合增長率為 4.6%。中國半導體產業(yè)同樣呈現規(guī)模持續(xù)擴大，在政策大力支持與下游應用快速繁榮等因素的推動下，2014 至 2020 年中國半導體銷售 額年復合增長率達 8.7%，占全球半導體銷售額比例由 2014 年的 27%上升至 2020 年的 34%，是當前全球最大 的半導體消費市場。半導體材料在集成電路和分立器件等半導產品生產制造過程中起關鍵作用。常見的半導體 制造材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導體及砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半 導體材料，其中以碳化硅、氮化鎵等化合物為材料的半導屬于第三代化合物半導體材料。
半導體材料市場空間廣闊，制造材料銷售額占比不斷提高。全球半導體材料銷售額規(guī)模不斷上升，2015 年至 2019 年復合增長率為 4.8%；中國大陸半導體材料市場快速增長，2015 至 2019 年復合增長率達 9.3%，占 全球半導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，半導體制造材料銷售規(guī)模占全部半導體材料銷售額比例超50%，且呈現逐年上升的趨勢，2015 至 2019 年制造材料銷售 額復合增長率達 8.1%，而封裝材料 2015 至 2019 年銷售額復合增長率為-0.1%。
1.2、第三代半導體制造材料碳化硅性能優(yōu)勢突出
第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）為代表的元素半導體材料，應用極為普遍，包括集成電路、 電子信息網絡工程、電腦、手機等。其中，最典型的應用是集成電路，主要應用于低壓、低頻、低功率的晶體 管和探測器中。硅基半導體材料是目前產量最大、應用最廣的半導體材料，90%以上的半導體產品是用硅基材 料制作的。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻電子器件上的應用，如其間接帶隙的特點決定了它 不能獲得高的電光轉換效率；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到其性能的極限。
第二代半導體材料主要是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物材料，目前手機所使用的關鍵 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，因此被廣泛應用于光電子和微電子領域，是制作半導體發(fā)光二極管和通信器件 的關鍵襯底材料。由于第二代半導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 器件領域的應用。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。與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱 導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)勢，因此，采用第三代半導體材料制備的半導體器件不僅能在更 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族化合物半導體材料，具有多種同素異構類型，是世界上硬度排名第三的 物質，在熱、化學和機械方面都非常穩(wěn)定。在物理性質上，SiC 具有高硬度、高耐磨性、高導熱率、高熱穩(wěn)定性以及散熱性好的特點；在化學性質上，SiC 表面易形成硅氧化物薄膜以防止其進一步氧化，但在高溫下該氧化膜會迅速發(fā)生氧化反應。
碳化硅的典型結構可分為兩類，一類是閃鋅礦結構的立方碳化硅晶型，稱為 3CSiC 或 β-SiC，這里 3 指的是周期表性次序中面的數目；另一類是六角型或菱形結構的大周期結構其中典型的 有 6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC 等，統稱為 α-SiC。其中，4H-SiC 和 6H-SiC 是兩種半導體所需的材料，碳化硅 與其他半導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，否則容易產生多晶型夾雜，導致產出的晶 體不合格。
碳化硅在半導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用需求，當前碳化硅襯底已應用于射頻器件及功率 器件。
1.3、碳化硅產業(yè)鏈詳概況
近年來，以碳化硅晶片作為襯底材料的技術逐漸成熟并開始規(guī)模生產及應用。SiC 生產過程主要包括碳化 硅單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應的是碳化硅產業(yè)鏈襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)。
1.3.1 襯底
襯底是所有半導體芯片的底層材料，主要起到物理支撐、導熱及導電作用，碳化硅襯底主要包括導電型和 半絕緣型兩類，二者在外延層及下游應用場景不同。作為導電型襯底材料，經過外延生長、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，應用于新能源汽車、 光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域；作為半絕緣型襯底材料，經過外延生長、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，主要應用于 5G 通訊、衛(wèi)星、雷達等領域。
當前碳化硅襯底以 4、6 英寸為主，科銳公司已成功研發(fā) 8 英寸產品。在半絕緣型碳化硅市場，目前主流的襯底產品規(guī)格為 4 英寸；在導電型碳化硅市場，目前主流的襯底產品規(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)內公司主要量產襯底尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸。在最新技術研發(fā)儲備上，以行業(yè)領先者 WolfSpeed 公司的研發(fā)進程為例，WolfSpeed 公司已成功研發(fā) 8 英寸產 品。為提高生產效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術的重要發(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，有利于進一步降低芯片的成 本。由于現有的 6 英寸的硅晶圓產線可以升級改造用于生產 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鍵技術，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)屬于技術密集型行業(yè)，是材料、熱動力學、半導體物理、化學、計算機仿真模擬、機械等交叉學科應用，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 單晶具有所需設備簡單、操作容易控制、設備價格以及運行成本低等優(yōu)點。因此，PVT 法是目前工業(yè)生產晶體所采用的主要方法，WolfSpeed 公司、II-VI 公司、SiCrystal、天科合達、山東天岳等國 內外主要碳化硅晶片生產企業(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，最后經過冷凝成核而長成晶體。基于 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上，經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， 在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅同質外延片，可進一步制成肖特基二極管、MOSFET、 IGBT 等功率器件，應用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域；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）異質外延片，可進一步制成 HEMT 等微波射 頻器件，應用于 5G 通訊、雷達等領域。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，國內瀚天天成、東莞天域、基本半導體已能提供 4 寸及 6 寸 SiC 外延片。
外延的質量受到晶體和襯底加工的影響，處在產業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產業(yè)的發(fā)展起到非常關鍵的作用。由于 碳化硅功率器件與傳統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，必須在導通型單晶襯底 上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件，所以外延的質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。在核心參數方面，外延片核心參數厚度、摻雜濃度在低壓、中壓領域已經可以做到相對較優(yōu) 的水平，但在高壓領域，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。在中低壓應用 領域，碳化硅外延的技術相對成熟，基本可以滿足中低壓 SBD、MOS、JBS 等器件需求；在高壓應用領域，器 件的類型趨向于使用雙極器件。
碳化硅外延制備技術方面，當前主要的外延技術是化學氣相沉積法（CVD），該法通過臺階流的生長來實 現一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料，根據不同的摻雜類型，分為 n 型和 p 型外延片。碳化硅外延的生長參數 要求較高，受到設備密閉性、反應室氣壓、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 第三代半導體中，由于氮化鎵材料作為襯底實現規(guī)?；a當前仍面臨挑戰(zhàn)，因此是以藍寶石、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 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量提 高，使得 SiC 器件制備能夠在目前現有 6 英寸 Si 基功率器件生長線上進行，這將進一步降低 SiC 材料和器件成本，推進 SiC 器件和模塊的普及。當前，國際上 600～1700VSiC-SBD、MOSFET 已經實現產業(yè)化，主流產品耐 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 產品價格是對應 Si 產品的 5～6 倍， 正以每年 10%的速度下降，隨著上游材料紛紛擴產上線，未來 2～3 年后市場供應加大，價格將進一步下降， 預計價格達到對應 Si 產品 2～3 倍時，由系統成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢將推動 SiC 逐步占領 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）和結勢壘控 制肖特基二極管（SiC-JBS）三種，主要應用在電力電源領域，工作在開關狀態(tài)。（1）SiC-SBD 為肖特基勢壘二 極管，利用金屬與半導體接觸形成的金屬－半導體結原理制作的一種熱載流子二極管，也被稱為金屬－半導體 （接觸）二極管或表面勢壘二極管，結構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。
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。當前主流的 SiC-SBD 產品耐壓極限為 1200V，同時羅姆公司在推進 1700V 耐壓的產品。（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．它的結構有三層，在碳化硅半導體二極管的 P 結和N結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個數量級的開關速度、高結溫承受能力、 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 應運而生,該結構將 SBD 結構 和 PiN 結構巧妙地結合在一起,具有高耐壓、低壓降、小漏電、高頻特性好及強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 物半導體場效應晶體管，可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管。在 300V 以下的功率器件領域， Si MOSFET 器件是首選，具有較為理想的柵極電阻、高速的開關性能、低導通電阻和高穩(wěn)定性。在 SiC MOSFET 的開發(fā)與應用方面，與相同功率等級的 Si-MOSFET 相比，SiC MOSFET（以英飛凌產品為例）的優(yōu)勢有：
（1）開關損耗低，在 25℃結溫下，SiC-MOSFET 關斷損耗大約是 IGBT 的 20%，在 175℃的結溫下，SiC MOSFET 關斷損 耗僅有 IGBT 的 10%（關斷 40A 電流），且開關損耗溫度系數很??；（2）導通損耗低，當負載電流為 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控制器、車載電源、太陽能逆變器、充電樁、UPS、PFC 電源等領域 有廣泛應用。
碳化硅絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor , IGBT）是一種復合全控型電壓驅動 式功率半導體器件，是能源變換與傳輸的核心器件。SiC IGBT 結合了 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，也就是導通特性，SiC IGBT 的正向導通電阻一般低于 Si IGBT 和 SiC MOSFET，主要 是由于其漂移區(qū)厚度小、電導調制更短所致，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，導致動態(tài)參數有所不同；門極驅動方面， SiC IGBT 的驅動和 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）碳化硅晶片的質量直接決定其 IGBT 器件的性能、可靠性、穩(wěn)定性和產率。碳化硅晶圓中材料的固有缺陷和外延生長的結構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通壓降，此外，壽命分布不均勻、不同缺陷密度之間的權衡等各類問題同 樣存在。大尺寸、高質量材料和低缺陷密度外延生長工藝都是實現 SiC IGBT 的關鍵。
（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 界面陷阱密度遠大于 Si/SiO2，導致 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）結端擴展(JTE)和場限環(huán)(FLRs)是目前 SiC IGBT 的兩種主 要終端技術，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都存在阻礙 SiC IGBT 商業(yè)化的技術難點。
二、需求：下游產業(yè)鏈應用爆發(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 為主的第三代半導體材料處 于發(fā)展初期，晶圓設備開發(fā)、襯底外延制造、下游器件生產均處于研發(fā)階段且尚未形成規(guī)模量產。隨著美國、 韓國、日本等半導體強國大力進行第三代半導體的相關研發(fā)，2020 年在產業(yè)鏈下游應用爆發(fā)的推動下，第三 代半導體正式進入高速發(fā)展期。目前，SiC 襯底和外延技術已經可以應用于 8 英寸節(jié)點，相較于傳統硅晶圓的 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 域，國際領先企業(yè)已實現 MOSFET 器件的量產。此外，中國也發(fā)布了多項半導體行業(yè)建設政策，旨在打造國 產先進半導體企業(yè)，這對第三代半導體的市場擴大具有積極意義。我們認為，第三代半導體已進入高速成長期， 市場紅利正在逐步釋放，下游應用領域的快速發(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 上的應用主要包括電機驅動系統逆變器、電源轉換系統（車載 DC/DC）、電動 汽車車載充電系統（OBC）及非車載充電樁等方面。基于 SiC 的解決方案使汽車電動系統效率更高、重量更 輕、結構更加緊湊，盡管碳化硅器件成本較高，但它推進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 器件主要應用于 OBC 與 DC/DC，SiC MOSFET 主要用于電驅動。根據 WolfSpeed 預測，新能源汽車是 SIC 器件應用增長最快的市場，預計 2022- 2026 年的市場規(guī)模從 16 億美元到 46 億美元，復合年增長率為 30%，其中到 2026 年用于電機驅動逆變器仍是 最大市場，占比超過 80%。
電驅動系統一般由驅動電機、離合器、齒輪箱和差速器組成，這是純電動汽車傳動系統布置的常規(guī)形式。在新能源汽車中，功率器件是電驅動系統的主要組成部分，對其效率、功率密度和可靠性起著主導作用。目前， 新能源汽車電驅動部分主要就硅基功率器件組成。隨著電動汽車的發(fā)展，對電驅動的小型化和輕量化提出了更 高的要求。當前，比亞迪、特斯拉等部分車型已經使用了碳化硅功率器件的電機驅動控制器。特斯拉處在碳化 硅器件應用的前列，其最新產品 Model S Plaid 便使用了以 SiC 為主要材料的電動逆變器，現已成為全球百米 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，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入前十。比亞迪推出的“漢” EV 高性能四驅版本也配備了 SiC MOSFET 功率控制模塊，是中國首個采用相關技術的車型。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 模塊作為電驅動平臺。
電源轉換系統 DC/DC 是轉變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉換器，DC/DC 轉換器分為三類：升壓 型 DC/DC 轉換器、降壓型 DC/DC 轉換器以及升降壓型 DC/DC 轉換器，車載 DC/DC 轉換器可將動力電池輸 出的高壓直流電轉換為低壓直流電?；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，相比傳統基于 IGBT 模塊變換器產 品，開關頻率提升 4 倍以上、功率密度提升 3 倍以上，系統平均效率大于 97%，最高效率可達 99%。
車載充電機（OBC）是完成將交流電轉換為電池所需的直流電，并決定了充電功率和效率的關鍵部件。汽車由內燃機驅動轉變?yōu)殡婒寗?，最明顯的變化就是發(fā)動機和油箱分別被電機和電池取代了，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 WolfSpeed，相較于傳統的硅基器件，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，雙向逆變技術是未來 OBC 標配的功能之一，使 OBC 不僅可將 AC 轉化 為 DC 為電池充電，同時也可將電池的 DC 轉化為 AC 對外進行功率輸出；將 OBC 及 DC/DC 等器件進行功能 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，傳統硅材料在 MOSFET、IGBT、功率 IC 等領域的 器件性能已經逐漸接近極限，已無法適應新興市場快速發(fā)展的變革需要，基于寬禁帶半導體 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)越的開關性質，其開 關頻率和功率頻率都輕易突破了傳統材料的上限，因此廣泛用于新能源汽車等領域。
在新能源汽車的應用中，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，冷卻溫度均在 75-105 攝氏度。由于碳 化硅具有的導熱性能幾乎為 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）提高系統效率：傳統 Si-IGBT 的導通電阻較大，在開關過程中具有較大的反向電流，趨于穩(wěn)定的過程中會產生巨大的損耗。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，從而進一步提高系統效率。目 前，SBD 是新能源汽車領域應用最成熟的 SiC 器件，MOSFET 在國外范圍內也得到了初步地生產和應用。實 際上，SiC-SBD/MOSFET 的耐壓范圍已經與 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%，是當前市場的主要品類。我們預計，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，預計該數值 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 應用也占據了碳化硅器件總市場的 41.59%，預計這一占比將于2025 年提升至 60.62%。目前，用于電機驅動 逆變器的碳化硅功率器件是車用 SiC 產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域的 應用已經達到了批量生產的臨界區(qū)域，相關下游市場的大量需求正在逐步釋放。預計隨著新能源車市場滲透率 的進一步擴大，以及功率模塊和相關應用的迅速發(fā)展，碳化硅市場將在中期內迎來爆發(fā)。
目前，全球的碳化硅廠商也在積極尋求合作，紛紛與先進新能源汽車企業(yè)簽訂協議。特斯拉 Model 3 所采 用的 SiC MOSFET 功率模塊正是由意法半導體提供的，且后者與碳化硅領先企業(yè) Woifspeed 簽訂了 150mm 碳 化硅晶圓擴展協議，旨在為全球的 SiC 晶圓供給加碼。此外，意法半導體還于 2021 年 6 月與雷諾集團達成戰(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，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，日本先進半導體制造商 ROHM 也于 2021 年 9 月與吉利汽車達 成合作，后者將使用 ROHM 提供的 SiC 功率器件實現高效的逆變效率和充電性能，從而進一步提高用戶體驗。WolfSpeed 也為鄭州宇通集團提供了 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，以擴大自身在相關市場的領先地位，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，預計市場集中度將進一步提高。
電動電子和逆變器領域，據 ev-sales.blog 數據統計，2021 年包括插電混動、純電動、燃料電池在內的新能 源乘用車全球銷量達到了 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 14.4%， 位列全球首位。其中，Model 3 銷量為 50.07 萬輛，市占率達 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。車載充電系統和電源轉換系統方 面，碳化硅功率器件能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率，目前全球已有超過 20 家汽 車廠商在車載充電系統中使用碳化硅功率器件。碳化硅器件應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。預計未來五年內，隨著碳化硅相關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期。
2.3 太陽能光伏
碳化硅物化性質優(yōu)越，光伏原材料迭代升級。碳化硅具有較寬的帶隙，導熱能力近乎達到了硅原料的 3 倍， 在太陽能光伏領域中發(fā)揮了重要作用。與傳統的 Si 材料相比，SiC 具有極高的擊穿電壓和較低的導通電阻，因 而其功率器件擁有更好的開關效率并且能高效地進行熱量積累。碳化硅制造的高電壓 MOSFET 具有優(yōu)越的開 關性能，其功能不受溫度影響，由此能很好地在升溫系統中保持穩(wěn)定效力。此外，SiC MOSFET 也可以在具 備高轉換頻率的同時，擁有 99%以上的逆變效率。因此，SiC 可以廣泛應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，但其高導熱率、高擊穿電場、低損 耗等特性，都使得光伏系統效率更高，從而進一步降低成本。無論從光伏產業(yè)鏈上游的材料制造看，還是從下 游應用的高效能看，碳化硅都具有無與倫比的高效能。預計中長期內，碳化硅將會成為太陽能光伏領域功率器 件的主要制造原料，同時帶動產業(yè)鏈整體實現迭代升級。
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 59%，風光等優(yōu)質能源消費占比僅 4%。而根據“十四五”規(guī)劃要求，2025 年要實現單位 GDP 能源消耗降 低 13.5%，光伏等新能源產業(yè)發(fā)展空間廣闊。2020 年，全球光伏能源需求為 130GW，樂觀情況下預計 2025 年 該項指標將到達 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，預計 2025 年實現 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，未來五年內將以 17%的 CAGR 快速增長，預計 2025 年將到達 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。我們認為，隨著全球光伏需求的進一步增長，以及碳化硅 IGBT 器件滲透率的不斷提高，表現強勢的太陽能光伏市場將持續(xù)拉升對碳化硅 的需求，并進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，諸多領先廠商紛紛加碼。在光伏太陽能領域中，以硅為原料制作的逆變器成本約為系統總體的 10%，但卻是能量損耗的來源之一。然而，以碳化硅為基礎的 MOSFET 和功率模組可以將光伏 逆變器的轉換效率從提高至 99%以上，能量損耗可以減少 50%以上，設備壽命提高 50 倍左右。目前，國外領 先碳化硅功率器件廠商意法半導體、ROHM 都已實現了 MOSFET 器件的量產，并將廣泛應用于光伏太陽能領域。同時，國際著名半導體器件制造商 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 也已成立相關子公司，專門生產用于 GaN 外延的 SiC 襯底，并且致力于實現碳化硅對自身業(yè)務發(fā)展的良好推動。國內方面，三安集成也已完成 SiC 器件的量產平臺打造，其首發(fā)產品 1200V 80m碳化硅 MOSFET 已實現了一系列性能和可靠性測試，可應用于光伏系統組成。此外，露笑科技和斯達半導體也積極 投入碳化硅器件生產，并廣泛布局光伏業(yè)務。目前，無論是領先的半導體器件制造商，還是先進的太陽能光伏 組件企業(yè)，都積極投入碳化硅IGBT，并使其廣泛應用于光伏領域。我們預計，未來五年內碳化硅功率器件將更為廣泛地應用于光伏市場，后者亦將為 SiC 器件帶來至少 15%以上的快速增長。
2.4 充電基礎設施
中國累計充電樁數量創(chuàng)新高，車樁比例趨向合理。截止 2021 年 7 月，中國累計充電樁數量約為 201 萬臺， 同比增長 20%，近六年 CAGR 為 76.69%，整體呈現爆發(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用方向。然而，我國充電樁數量仍然低于 480 萬的預期規(guī)劃，供不應求仍將推動充電樁數量迅速增長，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，充電樁供應迅速提高。盡管充電配套設施整體有所改善， 但仍然低于比例為 1 的預期目標，市場仍具有較大的增長空間?；?IEA 預測，預計 2025年全球充電樁保有量將達到 4580-6500 萬個，私人充電樁預計為 3970-5670 萬個，公共充電樁保有量約為 610-830 萬個，整體數 量迅速增長且仍以私人充電類型為主。與此相適應的，預計 2025 年中國新能源汽車保有量將突破 2500 萬輛， 則充電樁數量推算約為 800 萬個，復合增長率將達到 41.42%左右，市場預期狀況良好。因此，我們認為中國 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%。預計 2025 年，中國充電樁市場將以 28.27%的 CAGR 達到 2400 億元，成長潛力 十分巨大。實際上，SiC MOSFET 和二極管產品具有耐高壓、耐高溫、開關頻率快的特性，可以很好地用于 充電樁模塊。與傳統硅基期間相比，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 50% 左右。同時，碳化硅器件還能夠增強充電樁的穩(wěn)定性，減小器件系統體積，降低成本并進一步增加碳化硅 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，預計 2025 年將增長至 2.55 億美元，未來六年 CAGR 高達 90%，增長十分迅速。預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，配套設施的進一步完善，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先企業(yè)進入充電樁市場，相關領域技術研發(fā)進一步加速。目前，ROHM 已經推出了 基于碳化硅的充電基礎設施解決方案，從而應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，從而進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 拓撲方案，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，希望構建更高功率的充電方式，并通過 AC-DC 和 DC-DC 級的升壓轉換器提高充電效率。由此可見，碳化硅器件龍頭都在進行充電樁技術模塊的研發(fā)， 英飛凌、WolfSpeed、STM 等公司都在積極進入碳化硅充電樁市場。預計未來，充電樁市場將會迎來更多的發(fā) 展機遇，領先企業(yè)將發(fā)揮龍頭效應，與政府機構積極合作，構建更完好的充電樁生態(tài)系統。（報告來源：未來智庫）
三、供給：短期產業(yè)鏈受限襯底產能，長期產能擴張帶來價格下降
3.1 碳化硅襯底制備存在多重挑戰(zhàn)，位于產業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)
國際上 6 英寸 SiC 襯底產品實現商用化，未來占據市場份額主流地位。目前，全球市場上 6 英寸 SiC 襯底 已實現商業(yè)化，且在未來幾年里 6 英寸襯底將占據市場主要份額。此外，主流大廠也陸續(xù)推出 8 英寸樣品，微 管密度達到 0.62，預計 5 年內 8 英寸將全面商用。當前，WolfSpeed 公司能夠批量供應 4 英寸至 6 英寸導 電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開始建設 8 英寸產品生產線。2021 年 7 月，意法半導體就宣布其 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挑戰(zhàn)，降低結晶缺陷密度技術使得制備成本增加。碳化硅襯底制備主要有以 下技術難點：
（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計要求較高。適宜的溫度場是制備 碳化硅單晶的基礎，不適宜的溫度場極易導致單晶開裂等問題。此外，隨著碳化硅襯底直徑的增加，溫度場的 設計及實現難度也在增加。（2）降低結晶缺陷密度。襯底中結晶缺陷（如：微管、穿透性螺位錯（TSD）、基平 面位錯（BPD））會對器件造成負面影響。由于碳化硅較高的生長溫度，為降低結晶缺陷密度，傳統的工藝條件 （如掩膜法）已經不能滿足低結晶缺陷密度單晶的生長，勢必需要導入新工藝，增加工藝復雜性，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，單晶殘余內應力迅速增加，這會導致單晶結晶質量下降甚至導致單 晶開裂等問題，如何有效兼顧單晶可用厚度及單晶結晶質量存在較大難度。
當前，國內廠商碳化硅襯底生產的技術指標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 為 TTV（總厚度偏差）、Bow（彎曲度）及 Wrap（翹曲度），國內廠商與國外領先廠商仍存在明顯差距。此外， 產品的一致性問題是難以攻克的短板，國產襯底目前較難進入主流供應鏈。具體來說，國產襯底技術短板以及 一致性問題主要包含兩個方面：（1）由于國內廠商起步相對較晚，在材料匹配、設備精度和熱場控制等技術角 度需要長時間的專門知識累積；（2）國內廠商的客戶較少且比較分散，客戶的反饋速度更慢，反饋內容不徹底。相比較起來，WolfSpeed 的產品線覆蓋襯底、外延、器件乃至模組，后端反饋充分且及時。因此，國內廠商的技術差距直接導致襯底綜合性能較差，無法用于要求更高的產線中；一致性問則表示優(yōu)質襯底比例較低，直接 導致襯底的成本大幅上升，上述兩點導致國內廠商制造的襯底還無法進入主流供應鏈。
3.2 碳化硅外延處于產業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，受制于碳化硅襯底技術缺陷
當前外延主要以 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，當前 6 英寸碳化硅襯底已經實現商用，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已經日趨成熟，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，雖然當前國際先進廠商已經研 發(fā)出 8 英寸碳化硅襯底，但其進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 的逐漸成熟，未來可能會出現 8 英寸碳化硅功率器件生產線。
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、進而降低成本的關鍵。（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 性的一個重要結晶缺陷，不斷降低 BPD 密度是外延生長技術發(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 高襯底結晶質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用，器件尺寸及通流能力不斷增加， 對結晶缺陷密度的要求也不斷增加，在未來技術的進步下，碳化硅外延片結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難點，國外廠商先行
碳化硅中高壓功率二極管商業(yè)化產品逐年增多，主要以碳化硅 SBD 和結勢壘型 JBS 器件為主。2020 年， 國際上有超過 20 家公司量產碳化硅二極管系列產品，擊穿電壓主要分布在 600V-3300V，根據 Mouser 數據顯 示，2020 年共有約 800 款碳化硅 SBD 產品在售，較 2019 年新增 122 款，中高壓商業(yè)化產品逐年增多。碳化硅 SBD 器件當前在專利設計方面幾乎沒有壁壘，國內領先企業(yè)如派恩杰已經開始第六代碳化硅 SBD 的研發(fā)，與國 外差距較小。而碳化硅 SBD 器件制造產線方面，國內外差距較為明顯，國內碳化硅 SBD 制造產線多數處于剛通 線的狀態(tài)，還需經歷產能爬坡等階段，離大規(guī)模穩(wěn)定量產還有一定距離。
當前，碳化硅 MOSFET 制備技術要求較高，碳化硅 MOSFET 采用溝槽結構可最大限度地發(fā)揮 SiC 的特性， 柵級氧化物形成技術挑戰(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℃溫度中進行退火激活，一個關鍵的工藝是 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生長方法。
碳化硅 MOSFET 質量不斷改善推動產品商業(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，科瑞公司于 2011 年推出了市場上第一個垂直 N 溝道增強型碳化硅功率 MOSFET，碳化 硅 MOSFET 市場規(guī)模不斷擴大。當前，碳化硅 MOSFET 的質量不斷改善，已基本達到業(yè)界使用的要求。以市售的 1200V 碳化硅 MOSFET 為例，其溝道遷移率已經提高到適當水平，多數主流工業(yè)設計的氧化物壽命達到了可接 受的水平，閾值電壓變得越來越穩(wěn)定。因此，在碳化硅 MOSFET 質量不斷改善的激勵下，目前其商用在不斷推 進，市場上有多家供應商可以供應生產水平量的碳化硅 MOSFET。
碳化硅 MOSFET 國外廠商已實現量產，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 均已實現量產，而國內所有碳化硅 MOSFET 器件制造平臺仍在搭建中，部分公 司的產線仍處于計劃階段，離正式量產還有很長一段距離。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。產線方面 WolfSpeed、英飛凌等已開始布局 8 英寸線，而國內廠 商還在往 6 英寸線過渡。此外，碳化硅 MOSFET 的產品穩(wěn)定性需要時間驗證。根據英飛凌 2020 年功率半導體應 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指標沒有提供足夠多的驗證，SiC MOSFET 在車載 和工控等領域驗證自己的穩(wěn)定性和壽命等指標需要較長時間。
3.4 碳化硅襯底迎來產能爆發(fā)期，未來價格有望下降
近年來，全球發(fā)達國家及中國不斷推出相關政策支持第三代半導體材料發(fā)展。據不完全統計，2002 年2019 年，美國共計出臺了 23 項第三代半導體相關的規(guī)劃政策，總投入經費超過 22 億美元。2020 年全年，雖 然美國并未正式出臺相關政策，但本年度相關提案涉及的經費超過 480 億美元。2020 年，歐盟 24 個國家中有 17 個國家聯合發(fā)布了《歐洲處理器和半導體科技計劃聯合聲明》，宣布了未來 2-3 年內對半導體領域的投入將 達到 1450 億歐元。韓國于 2020 年 6 月，拋出萬億韓元半導體振興計劃，從 2020 年到 2029 年在系統級芯片 （SoC）領域投資總計 1 萬億韓元（約 59 億元人民幣）。日本大力鞏固第三代半導體領域技術優(yōu)勢，日本經產 省準備資助日企和大學圍繞 GaN 材料部署研發(fā)項目，預計 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產業(yè)政策，大力支持國內第三代 半導體材料的發(fā)展。
在寬禁帶半導體產業(yè)的政策支持和行業(yè)快速發(fā)展刺激下，國內廠商開始布局碳化硅產業(yè)鏈。當前，在國內 政策支持和行業(yè)發(fā)展吸引下，國內諸多企業(yè)開始進入第三代半導體產業(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入碳化硅領域；斯達半導在今年 3 月宣布加碼車規(guī)級 SiC 模組產線；而比亞迪半 導體、聞泰科技、華潤微等也有從事 SiC 器件業(yè)務。此外，天科合達、山東天岳等國內廠商也都走在擴產路上。2021 年 8 月，山東天岳子公司上海天岳總投資 25 億元計劃建設碳化硅半導體材料項目開工，在達產年將形成 年產導電型碳化硅晶錠 2.6 塊，對應襯底產品 30 萬片的產能。項目計劃于 2022 年試生產，預計 2026 年 100% 達產，其中 6 英寸半絕緣型襯底預計在 2023 年形成量產。湖南三安半導體基地一期項目于 2021 年正式投產， 該項目將打造國內首條、全球第三條碳化硅全產業(yè)生產線，項目全面建成投產后，月產能將達到 3 萬片 6 英寸 碳化硅晶圓。
隨著碳化硅襯底制備技術的提升及產能擴張，碳化硅襯底及外延單位面積價格或將下降。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 年底已經達到 20mm 左右，預期單晶的平均可用厚度仍會持續(xù)增加。據半導體時代產業(yè)數據中心（TD）預 測，在 2020 年至 2025年期間，碳化硅晶片在半導體領域出貨量的復合增長率將達到 43.8%，到 2025 年還將 達到 80 萬片，可大規(guī)模應用于電動汽車等領域，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。在外延價格構成中，襯底占據了外延 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成還包括設備、廠務和人工成本部分，隨著設備的改進，此類成本也將降低。隨著客戶對外延質量要求的提高，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一步下降，與同類型 Si 器件價差縮小。當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產后，未來 2-3年碳化硅襯底供應加大，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控制器、車載電源器件制備的首選，但受制于碳化硅襯底產 能的影響當前價格較高。2020 年受疫情影響，產品供貨周期延長，但從全年情況來看，碳化硅器件有所下降， 與傳統產品的價差持續(xù)縮小。
SiC SBD 產品價格略有下降，降幅較前兩年有所收窄。根據 CASA 中 Mouser 數 據顯示，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 CASA 中的 Mouser 數據，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 30%-40%，與 Si 器件價差也縮小至 2.5~3 倍之間。因此，隨著 6 英寸晶圓不斷擴產形成規(guī)模經濟 后，碳化硅 MOSFET 的價格有望下降。
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