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第三代半导体材料：碳化硅核心环节全梳理

不见利就追

公社达人

2023-03-29 19:04:26

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碳化硅：第三代半导体核心材料

半导体材料作为电子信息技术发展的基础，经历了数代的更迭。以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料逐渐进入产业化加速放量阶段。

碳化硅（SiC）是第三代半导体材料的核心。相较于前两代材料，碳化硅具有耐高压、耐高温、低损耗等优越性能，具有较高的导热率、熔点等。

资料来源：Yole

基于碳化硅材料的半导体器件可应用于汽车、充电设备、便携式电源、通信设备、机械臂、飞行器等多个工业领域。

碳化硅材料的特性决定了它将会逐步取代传统硅基，打开巨大的市场空间。

根据Yole数据，受新能源汽车行业庞大的需求驱动，以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升的影响，预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将达到62.97亿美元，2021-2027年的复合增速约为34%。

2021年-2027年全球碳化硅功率器件各细分市场规模：

资料来源：Yole

02

碳化硅产业链

碳化硅产业链涉及多个复杂技术环节。

依次可分为：衬底、外延、器件、终端应用。

受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前产业链的价值集中于衬底和外延部分，前端两部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的设计、制造、封测环节仅占 30%。

碳化硅产业链图谱：

资料来源：维科网·锂电，海通国际、行行查

1. 碳化硅衬底

衬底制造是碳化硅产业链技术壁垒最高、价值量最大的环节，是未来碳化硅大规模产业化推进的核心环节。

碳化硅的衬底可以按照电阻率分为导电型衬底和半绝缘型衬底，导电型电阻率在0.02Ω·cm左右，半绝缘型电阻率大于106Ω·cm。

在导电型衬底上生长SiC衬底制作的功率器件可以应用在新能源汽车、电网、光伏逆变器、轨道交通等高压工作场景。

随着国内碳化硅衬底产能建设的推进，市场对于其原材料高纯热场、高纯保温、高纯碳粉、高纯碳化硅粉等需求将快速增加。

目前中国大陆碳化硅衬底规划投资超200亿元，未来远期规划年产能超400万片。

从行业市场格局来看，目前碳化硅衬底市场由美日欧主导，美国全球独大。

头部厂商包括美国的Wolfspeed、II-VI、安森美，欧洲市场ST意法和英飞凌，日本的罗姆、三菱、富士电机等。

Wolfspeed的8英寸SiC衬底已于2019年研发成功，2021年左右投产，有报道称计划于2024年将产能达到惊人的年产600万片。

2022年8月，全球碳化硅衬底市占率第二的高意集团（II-VI）宣布，已与英飞凌签订碳化硅衬底多年供应协议，将为后者供货6英寸SiC衬底，并共同开发过渡至8英寸SiC衬底。

Wolfspeed的不同尺寸SiC衬底研发进度：

由于碳化硅衬底生产技术难度高，国内具备技术储备和量产能力的公司较少，行业竞争格局较好。

我国的导电型碳化硅衬底龙头天科合达市场份额不足2%。

在半绝缘型衬底方面，我国的天岳先进进入全球头部厂商地位，市场份额为30%，市场占有率排名全球第三、国内第一。

碳化硅生长技术难度高导致了目前碳化硅衬底厂商生产良率较低。

天岳先进作为国内半绝缘型碳化硅衬底龙头企业，晶棒环节良率近两年平均水平约为50%，衬底环节良率近两年在70%-75%区间。

当前国内碳化硅衬底产能仍有较大部分为2-4英寸，部分头部厂商完成了6英寸碳化硅衬底的技术储备并实现了量产，但规模较小，8英寸衬底生产技术仍处于技术储备之中。

截至2022年11月，晶盛机电、天岳先进、天科合达分别宣布掌握8英寸碳化硅衬底制备技术。

衬底主要布局厂商还包括露笑科技、烁科晶体、同光晶体、南砂晶圆等。

另外，目前在OBC和终端应用领域，国内车厂已经采用国内厂商主流SiC方案，未来国产厂商有望在主驱逆变器上获得更好的发展。

国内车厂进入SiC领域：

资料来源：Trendforce

2. 碳化硅外延

碳化硅外延片是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。

外延加工占碳化硅器件成本结构的23%，仅次于衬底制备,为器件设计要求的功能层。

碳化硅外延片成本结构：

资料来源：NERL

在晶体生长和晶片加工过程中，不可避免地会在表面或近表面产生缺陷，导致衬底的材料质量和表面质量下降，直接影响制得器件的性能。

而外延局的生长可以消除许多缺陷，使晶格排列整齐，表面形貌得到改观。

碳化硅晶片主要加工流程：

资料来源：长城国瑞

国际上碳化硅外延企业主要有昭和电工、II-VI、Norstel、Wolfspeed、Rohm、三菱电机、英飞凌等。

国内厂商具备替代空间，目前国内相关外延厂商东莞天域和厦门瀚天天成，两者均已实现产业化，可供应4-6 英寸外延片。相关设备厂商包括中电55所、普兴电子/中电13所、三安集成和希科半导体（江苏苏州），国产外延炉厂家多以单腔、水平气流、手动设备为主，月产能约为300~500片，还需验证设备工艺以及外延工艺。

2022年8月，II-VI宣布，已与东莞天域半导体签订1亿美元供货订单，向后者供应SiC 6英寸衬底，到2023年底交付。

外延设备也被海外企业基本垄断，各厂商设备存在差异。主要厂商包括意大利LPE公司、德国Aixtron公司、日本TEL和Nuflare公司。四家公司的设备工作原理不同，在性能上各有优势。

3. 碳化硅器件

从碳化硅行业整体竞争格局来看，海外龙头占据主导地位，IDM模式是行业主流。

下游碳化硅器件市场，意法半导体占据最大市场份额，达40%，其次为Wolfspeed和Rohm，分别占据15%和14%的市场份额。

国内器件领域的头部厂商包括斯达半导和泰科天润等。

器件设计中难点较多，国内拥有众多设计厂商。

SiCMOS仍与海外厂商存在差距，相关制造平台仍在搭建中。

目前意法半导体、英飞凌、Rohm等600-1700V SiCMOS已实现量产并和多制造业达成签单出货，而国内SiCMOS设计已基本完成，多家设计厂商正与晶圆厂流片阶段，后期客户验证仍需部分时间，因此距离大规模商业化仍有较长时间。

国内相关SiC设计厂商：

资料来源：芯TIP，银河证券、行行查

国内布局碳化硅产业链的主要企业还包括三安光电、中车时代电气、东微半扬杰科技、新洁能、双良节能等。

碳中和趋势下，碳化硅有望在新能源汽车、光伏、风电、工控等领域的持续渗透。

Wolfspeed预计2023年碳化硅材料市场达2000万美元，2025年进一步增长至2700万美元。工艺节点的转变将带来成本优化，进一步促进市场需求扩增。

全球碳化硅市场处于高速成长阶段，得益于新能源车、光伏逆变器本土品牌商市场份额提升，国内企业已获入场机会，且有望通过技术快速迭代和产能扩张受益，国产替代空间广阔。

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