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半導(dǎo)體材料主要分為三個(gè)代際。 ? 其中第一代半導(dǎo)體以材料硅Si、鍺Ge為代表，目前在半導(dǎo)體領(lǐng)域中第一代硅Si材料應(yīng)用最為廣泛； ? 第二代半導(dǎo)體主要以化合物材料砷化鎵GaAs、磷化銦InP為代表； ? 第三代半導(dǎo)體主要以化合物材料碳化硅SiC、氮化鎵GaN、氮化鋁AlN為代表，其具有明顯的禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大的特征，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體。 ? 硅基因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自然界儲(chǔ)備量大，制備相對(duì)容易，被廣泛應(yīng)用半導(dǎo)體的各個(gè)領(lǐng)域，其中以處理信息的集成電路最為主要。在高壓、高功率、高頻的分立器件領(lǐng)域，硅因其窄帶隙，較低熱導(dǎo)率和較低擊穿電壓限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。 ?
? 半導(dǎo)體特性的差異決定了不同材料在半導(dǎo)體元件中的應(yīng)用，而第三代半導(dǎo)體在各個(gè)性能領(lǐng)域都優(yōu)于硅基器件。
1、高熱導(dǎo)率 ? 碳化硅熱導(dǎo)率高于氮化鎵。第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)景通常為高溫、高壓、高功率場(chǎng)景，器件需要具有較好的耐高溫和散熱能力，以保證器件的工作壽命。碳化硅的熱導(dǎo)率是氮化鎵熱導(dǎo)率的約3倍，具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，器件壽命更長(zhǎng)，可靠性更高，系統(tǒng)所需的散熱系統(tǒng)更小。
? 2、高禁帶寬度 ? 碳化硅襯底器件體積更小。由于碳化硅具有較高的禁帶寬度，碳化硅功率器件可承受較高的電壓和功率，其器件體積可變得更小，約為硅基器件的1/10。? ? 碳化硅器件電阻更小。同樣由于碳化硅較高的禁帶寬度，碳化硅器件可進(jìn)行重?fù)诫s，碳化硅器件的電阻將變得更低，約為硅基器件的1/100。 ?
3、高電壓 ? 碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉(zhuǎn)換頻率下，400V電壓時(shí)，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的29%-60%之間；800V時(shí)，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的30%-50%之間。碳化硅器件的能量損失更小。 ? 應(yīng)用： ? 第三代半導(dǎo)體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件，用以實(shí)現(xiàn)AC->AC(變壓器)、AC->DC(整流器)、DC->AC(逆變器)、DC->DC(升降壓變換器)，碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景，應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域，氮化鎵器件更適合高頻情況，應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。 ?
? 碳化硅按襯底制備方式以及面向的下游應(yīng)用可分為兩種類型。
? 一種是通過生長(zhǎng)碳化硅同質(zhì)外延，下游用于新能源汽車、光伏、工控、軌交等功率領(lǐng)域的導(dǎo)電型襯底，外延層上制造各類功率器件； ? 另一種是通過生長(zhǎng)氮化鎵異質(zhì)外延，下游應(yīng)用于5G通訊、國(guó)防等射頻領(lǐng)域的半絕緣型襯底，主要用于制造氮化鎵射頻器件。 ?
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碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈
制備流程 碳化硅生產(chǎn)流程包含材料端襯底與外延的制備，以及后續(xù)芯片的設(shè)計(jì)與制造，再到器件的封裝，最終流向下游應(yīng)用市場(chǎng)。從成本拆分來看，目前受制于產(chǎn)能及良率，襯底成本占比最高達(dá)46%。 ?
? 碳化硅襯底制備環(huán)節(jié)主要包括原料合成、碳化硅晶體生長(zhǎng)、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環(huán)節(jié)，其中制備重難點(diǎn)主要是晶體生長(zhǎng)和切割研磨拋光環(huán)節(jié)，是整個(gè)襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，成為限制碳化硅良率與產(chǎn)能提升的瓶頸。 ?
? 具體流程如下： ? ① 原料合成：將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2000℃ 以上的高溫下反應(yīng)合成碳化硅。再經(jīng)過破碎、清洗等工序，制得高純碳化硅微粉原料。 ? ② 晶體生長(zhǎng)：將高純 SiC 微粉和籽晶置于單晶生長(zhǎng)爐兩端，通過電磁感應(yīng)將原料加熱至 2000℃ 以上形成蒸汽，蒸汽上升到達(dá)溫度較低的籽晶處結(jié)晶形成碳化硅晶錠。 ?
? ③ 晶錠加工：用 X 射線單晶定向儀對(duì)晶錠定向，磨平、滾磨加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸。 ? ④ 晶體切割：使用切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm 薄片。 ?
? ⑤ 晶片研磨：通過金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。 ? ⑥ 晶片拋光：通過機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光得到表面無損傷的碳化硅拋光片。 ? ⑦ 晶片檢測(cè)：檢測(cè)碳化硅晶片的微管密度、結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定質(zhì)量等級(jí)。 ? ⑧ 晶片清洗：以清洗藥劑和純水對(duì)碳化硅拋光片進(jìn)行處理。SiC 長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)制造成本高且工藝難度大，其晶體生長(zhǎng)效率極其緩慢，生長(zhǎng)速度僅為?0.2-0.3mm/h；且在生長(zhǎng)過程中升溫降溫速度緩慢，因此，一個(gè)爐子一周僅能長(zhǎng) 2cm 厚的碳化硅晶棒。此外，由于碳化硅硬度大，切割過程中易碎，切割良率低。 ?
? 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈涉及多個(gè)復(fù)雜技術(shù)環(huán)節(jié)。
依次可分為：襯底、外延、器件、終端應(yīng)用。 受制于材料端的制備難度大，良率低，產(chǎn)能小，目前產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值集中于襯底和外延部分，前端兩部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)環(huán)節(jié)僅占 30%。 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈圖譜：
資料來源：維科網(wǎng)·鋰電，海通國(guó)際、行行查
1. 碳化硅襯底 ? 襯底制造是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大的環(huán)節(jié)，是未來碳化硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的核心環(huán)節(jié)。 碳化硅的襯底可以按照電阻率分為導(dǎo)電型襯底和半絕緣型襯底，導(dǎo)電型電阻率在 0.02Ω·cm 左右，半絕緣型電阻率大于 106Ω·cm 。 在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)SiC襯底制作的功率器件可以應(yīng)用在新能源汽車、電網(wǎng)、光伏逆變器、軌道交通等高壓工作場(chǎng)景。 隨著國(guó)內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)能建設(shè)的推進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)于其原材料高純熱場(chǎng)、高純保溫、高純碳粉、高純碳化硅粉等需求將快速增加。 目前中國(guó)大陸碳化硅襯底規(guī)劃投資超200億元，未來遠(yuǎn)期規(guī)劃年產(chǎn)能超400萬(wàn)片。
從行業(yè)市場(chǎng)格局來看，目前碳化硅襯底市場(chǎng)由美日歐主導(dǎo)，美國(guó)全球獨(dú)大。 頭部廠商包括美國(guó)的Wolfspeed、II-VI、安森美，歐洲市場(chǎng)ST意法和英飛凌，日本的羅姆、三菱、富士電機(jī)等。 ? Wolfspeed的8英寸SiC襯底已于2019年研發(fā)成功，2021年左右投產(chǎn)，有報(bào)道稱計(jì)劃于2024年將產(chǎn)能達(dá)到驚人的年產(chǎn)600萬(wàn)片。 ? 2022年8月，全球碳化硅襯底市占率第二的高意集團(tuán)（II-VI）宣布，已與英飛凌簽訂碳化硅襯底多年供應(yīng)協(xié)議，將為后者供貨6英寸SiC襯底，并共同開發(fā)過渡至8英寸SiC襯底。 ? Wolfspeed的不同尺寸SiC襯底研發(fā)進(jìn)度：
? 由于碳化硅襯底生產(chǎn)技術(shù)難度高，國(guó)內(nèi)具備技術(shù)儲(chǔ)備和量產(chǎn)能力的公司較少，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局較好。 我國(guó)的導(dǎo)電型碳化硅襯底龍頭天科合達(dá)市場(chǎng)份額不足2%。
在半絕緣型襯底方面，我國(guó)的天岳先進(jìn)進(jìn)入全球頭部廠商地位，市場(chǎng)份額為30%，市場(chǎng)占有率排名全球第三、國(guó)內(nèi)第一。 碳化硅生長(zhǎng)技術(shù)難度高導(dǎo)致了目前碳化硅襯底廠商生產(chǎn)良率較低。
天岳先進(jìn)作為國(guó)內(nèi)半絕緣型碳化硅襯底龍頭企業(yè)，晶棒環(huán)節(jié)良率近兩年平均水平約為50%，襯底環(huán)節(jié)良率近兩年在 70%-75% 區(qū)間。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)能仍有較大部分為2-4英寸，部分頭部廠商完成了6英寸碳化硅襯底的技術(shù)儲(chǔ)備并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，但規(guī)模較小，8英寸襯底生產(chǎn)技術(shù)仍處于技術(shù)儲(chǔ)備之中。 截至2022年11月，晶盛機(jī)電、天岳先進(jìn)、天科合達(dá)分別宣布掌握8英寸碳化硅襯底制備技術(shù)。 襯底主要布局廠商還包括露笑科技、爍科晶體、同光晶體、南砂晶圓等。 另外，目前在OBC和終端應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)車廠已經(jīng)采用國(guó)內(nèi)廠商主流SiC方案，未來國(guó)產(chǎn)廠商有望在主驅(qū)逆變器上獲得更好的發(fā)展。? 國(guó)內(nèi)車廠進(jìn)入SiC領(lǐng)域：
資料來源：Trendforce ? ? 2. 碳化硅外延 ? 碳化硅外延片是指在碳化硅襯底上生長(zhǎng)了一層有一定要求的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。 外延加工占碳化硅器件成本結(jié)構(gòu)的23%，僅次于襯底制備，為器件設(shè)計(jì)要求的功能層。 碳化硅外延片成本結(jié)構(gòu)：
資料來源：NERL 在晶體生長(zhǎng)和晶片加工過程中，不可避免地會(huì)在表面或近表面產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致襯底的材料質(zhì)量和表面質(zhì)量下降，直接影響制得器件的性能。
而外延局的生長(zhǎng)可以消除許多缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌得到改觀。 碳化硅晶片主要加工流程：
資料來源：長(zhǎng)城國(guó)瑞 國(guó)際上碳化硅外延企業(yè)主要有昭和電工、II-VI、Norstel、Wolfspeed、Rohm、三菱電機(jī)、英飛凌等。
國(guó)內(nèi)廠商具備替代空間，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)外延廠商?hào)|莞天域和廈門瀚天天成，兩者均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可供應(yīng) 4-6 英寸外延片。相關(guān)設(shè)備廠商包括中電55所、普興電子/中電13所、三安集成和希科半導(dǎo)體（江蘇蘇州），國(guó)產(chǎn)外延爐廠家多以單腔、水平氣流、手動(dòng)設(shè)備為主，月產(chǎn)能約為300~500片，還需驗(yàn)證設(shè)備工藝以及外延工藝。
2022年8月，II-VI宣布，已與東莞天域半導(dǎo)體簽訂1億美元供貨訂單，向后者供應(yīng) SiC 6英寸襯底，到2023年底交付。
外延設(shè)備也被海外企業(yè)基本壟斷，各廠商設(shè)備存在差異。主要廠商包括意大利LPE公司、德國(guó)Aixtron公司、日本TEL和Nuflare公司。四家公司的設(shè)備工作原理不同，在性能上各有優(yōu)勢(shì)。 ? 3. 碳化硅器件 ? 從碳化硅行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)格局來看，海外龍頭占據(jù)主導(dǎo)地位，IDM模式是行業(yè)主流。
下游碳化硅器件市場(chǎng)，意法半導(dǎo)體占據(jù)最大市場(chǎng)份額，達(dá)40%，其次為Wolfspeed?和 Rohm，分別占據(jù) 15% 和 14% 的市場(chǎng)份額。
國(guó)內(nèi)器件領(lǐng)域的頭部廠商包括斯達(dá)半導(dǎo)和泰科天潤(rùn)等。
器件設(shè)計(jì)中難點(diǎn)較多，國(guó)內(nèi)擁有眾多設(shè)計(jì)廠商。 SiCMOS 仍與海外廠商存在差距，相關(guān)制造平臺(tái)仍在搭建中。
目前意法半導(dǎo)體、英飛凌、Rohm 等 600-1700V SiCMOS 已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并和多制造業(yè)達(dá)成簽單出貨，而國(guó)內(nèi) SiCMOS 設(shè)計(jì)已基本完成，多家設(shè)計(jì)廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗(yàn)證仍需部分時(shí)間，因此距離大規(guī)模商業(yè)化仍有較長(zhǎng)時(shí)間。 國(guó)內(nèi)相關(guān)SiC設(shè)計(jì)廠商：
資料來源：芯TIP，銀河證券、行行查 國(guó)內(nèi)布局碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的主要企業(yè)還包括三安光電、中車時(shí)代電氣、東微半揚(yáng)杰科技、新潔能、雙良節(jié)能等。
碳中和趨勢(shì)下，碳化硅有望在新能源汽車、光伏、風(fēng)電、工控等領(lǐng)域的持續(xù)滲透。
Wolfspeed 預(yù)計(jì)2023年碳化硅材料市場(chǎng)達(dá)2000萬(wàn)美元，2025年進(jìn)一步增長(zhǎng)至2700萬(wàn)美元。工藝節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)變將帶來成本優(yōu)化，進(jìn)一步促進(jìn)市場(chǎng)需求擴(kuò)增。
全球碳化硅市場(chǎng)處于高速成長(zhǎng)階段，得益于新能源車、光伏逆變器本土品牌商市場(chǎng)份額提升，國(guó)內(nèi)企業(yè)已獲入場(chǎng)機(jī)會(huì)，且有望通過技術(shù)快速迭代和產(chǎn)能擴(kuò)張受益，國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。 ?
編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論