最新碳化硅器件產能量產情況與下游終端應用進展分析
碳化硅，化學式為SiC，是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。碳化硅器件是指以碳化硅為原材料制成的器件，按照電阻性能的不同分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。
基本半導體碳化硅肖特基二極管
導電型碳化硅功率器件主要是通過在導電型襯底上生長碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進一步加工制成，品種包括造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等，主要用于電動汽車、光伏發電、軌道交通、數據中心、充電等基礎建設。半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過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外延片后進一步制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件，主要用于5G通信、車載通信、國防應用、數據傳輸、航空航天。
碳化硅的主要器件形式及應用
碳化硅規模化應用的技術難點
碳化硅產業鏈主要包括襯底、外延、器件設計、制造、封測等環節。上游是襯底和外延、中游是器件和模塊制造，下游是終端應用。
雖然碳化硅襯底和器件工藝逐漸成熟，襯底和器件的價格呈一定下降趨勢，但是目前碳化硅功率器件的價格仍數倍于硅基器件，短期內一定程度上限制了碳化硅器件在功率器件領域的滲透率。
成本成為碳化硅器件規模化應用的難題，碳化硅器件的降本過程需要面對諸多技術難點。
技術難點一：碳化硅襯底生長“慢”。碳化硅單晶方面主要存在三點難點：對溫度和壓力的控制要求高，其生長溫度在2300℃以上；長晶速度慢，7天的時間大約可生長2cm碳化硅晶棒；晶型要求高、良率低，只有少數幾種晶體結構的單晶型碳化硅才可作為半導體材料。
技術難點二：碳化硅襯底加工“難”。碳化硅單晶的加工過程主要分為切片、薄化和拋光。全球碳化硅制造加工技術和產業尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市場的發展，要充分實現碳化硅襯底的優異性能，開發提高碳化硅晶片加工技術是關鍵所在。
技術難點三：碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘“高”。碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導致晶體生長過程中存在原生內應力及由此誘生的位錯、層錯等缺陷，其可靠性備受關注。在密閉高溫腔體內進行原子有序排列并完成晶體生長、同時控制微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等參數指標是復雜的系統工程，涉及一系列高難度工藝調控，工藝壁壘高。
碳化硅器件降本的技術路徑，從市場上的動態來看，主要包括擴大晶圓尺寸、改進碳化硅長晶工藝及改進切片工藝等三個方向。
擴大晶圓尺寸。根據Wolfspeed最新資料，從6寸轉向8寸晶圓，碳化硅芯片（32mm2）數量有望從448顆增加到845顆，增加了75%。8英寸SiC襯底的基面和螺紋螺釘密度分別為684cm-2和289cm-2。化學機械拋光后，表面質量得到改善，有66個缺陷。碳化硅外延可以實現略高于1 % 的厚度和摻雜均勻性。根據GTAT公司的預估，相對于6寸晶圓平臺，預計8寸襯底的引入將使整體碳化硅器件成本降低20-35%。而且，6寸SiC晶體厚度為350微米，而最初投放市場的8寸SiC襯底厚度為500微米。盡管晶體成本會略微上漲，但是由于更厚的晶體可以切出更多的襯底片，預計也有望進一步降低器件生產成本。
改進碳化硅長晶技術提升長晶速度。2021年8月5日，住友官網提到了他們利用一種所謂的MPZ技術，生長了高質量、低成本的SiC襯底和SiC外延片，消除了表面缺陷和基面位錯(BPD)，無缺陷區（DFA）達到99%，相比PVT法，SiC長晶速度提高了5倍左右，相比普通的LPE法速度提升了200倍。
住友MPZ（多參數和區域控制）溶液生長技術
ColdSplit技術分割碳化硅晶圓，從而使得單個晶圓的芯片數量翻倍。ColdSplit技術分割碳化硅晶圓，從而使得單個晶圓的芯片數量翻倍2018年11月12日，英飛凌科技股份公司收購了位于德累斯頓的初創公司SiltectraGmbH。該初創公司開發了一種創新技術（ColdSplit），可有效處理晶體材料，同時最大限度地減少材料損耗。與普通鋸切割技術相比，Siltectra開發出了一種分解晶體材料的新技術，能夠將材料損耗降到技術。該技術同樣適用于碳SiC，并將在其現有的德累斯頓工廠、以及英飛凌（奧地利）菲拉赫工廠實現工業化生產。
最新碳化硅器件產能進展
從全球SiC器件市場份額來看，意法半導體占據的市場份額達到40%，排名第一，英飛凌其次，占據22%的市場份額。
在SiC產能方面，襯底和外延方面國內公司產能以4英寸為主，向6英寸過渡，而國際上已實現6英寸商用化，各龍頭公司紛紛開啟8英寸布局，國內產能仍落后一定差距。國內襯底端（天科合達、天岳先進）、外延端（瀚天天成）廠商布局6英寸SiC，器件端廠商也在開發6英寸SiC芯片產線。
國內廠商SiC器件產品最新進展，從應用領域來看，斯達、BYD、時代在新能源車領域已有SiC模塊應用，其中時代電氣擁有覆蓋全電壓等級的SiC芯片產品。
各公司SiC器件價格對比，整體來看呈現出器件越高端，價格越高的趨勢。 SiC二極管均價達兩位數，SiC MOSFET模塊均價甚至高達上千元，主要由于模塊內包含多個SiC二極管和SiC MOSFET單管的組合價格所致。
國內廠商泰科天潤、斯達半導布局碳化硅器件，表現出比硅基器件高一個量級的價格端優勢。在SiC二極管方面，國內廠商泰科天潤均價達到11元/顆，高于普通硅基二極管均價；在SiC MOSFET模塊方面，斯達半導均價達到3775元/模塊，明顯高于硅基IGBT模塊均價。
國內產品相比于國際龍頭廠商單價更低，主要可能來源于國產替代的成本價格優勢及國際競品的性能優勢。
下游終端項目應用情況
按照電學性能的不同，碳化硅材料制成的器件分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅器件，兩種類型碳化硅器件的終端應用領域不同。
兩種類型的碳化硅器件的終端用途
導電型碳化硅功率器件目前主要應用于逆變器中。逆變器被廣泛用于控制交流電機和無刷電機的轉速，是新能源發電、不間斷電源、電動汽車、軌道交通、白色家電、電力配送等領域不可或缺的功率轉換裝置。
導電型碳化硅功率器件應用領域
汽車是導電型碳化硅功率器件最大的終端應用市場。根據YOLE的數據，2021年全球導電型碳化硅功率器件市場規模為10.90億美元，其中應用于汽車市場的導電型碳化硅功率器件市場規模為6.85億美元，占比約為63%；其次分別是能源、工業等領域，2021年市場規模分別為1.54億、1.26億美元，占比分別為14.1%、11.6%。
未來隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業等領域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場規模有望持續提升。根據Yole的預測，2027年球導電型碳化硅功率器件市場規模有望達62.97億美元，2021-2027年CAGR達34%；其中汽車市場導電型碳化硅功率器件規模有望達49.86億美元，占比達79.2%，是導電型碳化硅功率器件第一大應用市場。
碳化硅在電動汽車領域主要用于：主驅逆變器、車載充電系統(OBC)、電源轉換系統(車載DC/DC)和非車載充電樁。在2017年之前車載充電器主要以SiC SBD為主，而在2017年后SiC SBD和SiC MOSFET的方案已經成熟。在2018年，DC/DC轉換器也由Si MOSFET逐漸變成以SiC MOSFET為主。
碳化硅器件在新能源汽車上的應用
資料來源：中關村天合寬禁帶半導體技術創新聯盟
全球新能源汽車頭部廠商逐漸采用導電型碳化硅功率器件。特斯拉是業界首個在電動汽車中采用碳化硅主驅逆變器模塊的車企，2018年，特斯拉在Model3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊。當前越來越多的車廠正在轉向在電驅中使用碳化硅MOSFET器件，目前除特斯拉Model 3外，還有比亞迪漢EV、比亞迪新款唐EV、蔚來ES7、蔚來ET7、蔚來ET5、小鵬G9、保時捷Tayan和現代ioniq5等車型已經在電驅中采用了碳化硅器件。
導電型碳化硅功率器件在光伏發電和軌道交通領域也有廣闊發展前景。根據CASA預測，在2025年，光伏逆變器中導電型碳化硅功率器件占比將達到50%，相比2020年增長40個百分點，并將持續擴大占比。雖然2018年碳化硅在軌道交通的應用占比僅為2%，但CASA預測在2030年碳化硅在軌道交通功率器件的應用占比將達30%，滲透率不斷提升。
半絕緣型碳化硅器件，即碳化硅基氮化鎵射頻器件，廣泛應用于射頻器件領域。目前主流的射頻器件材料有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類型。其中，砷化鎵器件已在功率放大器上得到廣泛應用，硅基LDMOS器件也已在通訊領域應用多年，但其主要應用于小于4GHz的低頻率領域。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢，隨著信息技術產業對數據流量、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長，氮化鎵器件在基站中應用越來越廣泛。
氮化鎵射頻器件正在取代LDMOS在通信宏基站、雷達及其他寬帶領域的應用。根據Yole預測，至2025年，功率在3W以上的射頻器件市場中，砷化鎵器件市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據射頻器件市場約50%的份額。
不同類型射頻器件市場份額預測（功率在 3W 以上）
伴隨全球氮化鎵射頻器件市場規模的增長，半絕緣型碳化硅襯底市場預有望持續增長。半絕緣型襯底主要用于 5G 基站、衛星通信、雷達等方向，隨著 5G 建設的加速，尤其是 Massive MIMO 技術的推廣，碳化硅基氮化鎵器件市場規模不斷擴大。根據 YOLE 的數據， 2020 年封裝的氮化鎵射頻器件市場規模約為 8.91 億美元，其中超過 99%都是采用碳化硅襯底， 到 2026 年，這部分市場規模有望增長至 22.22 億美元，年復合增速 17%。
碳化硅基氮化鎵器件市場規模變化（百萬美元）
當前，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體近來消息不斷，英飛凌宣布將以8.3億美元收購GaN功率半導體廠商GaN Systems，雙方已簽署最終協議。特斯拉卻在近日舉辦的投資者日提到，計劃在下一代汽車動力系統中大幅減少碳化硅晶體管的使用，不過該消息讓不少業內人士質疑。
事實上，阻礙碳化硅器件規模化應用的關鍵在于成本。受制于碳化硅長晶速度、加工難度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下，換言之，成本問題其實是技術問題。隨著技術進步，未來碳化硅器件的價格有望持續下降，其行業應用將快速發展。
在碳化硅產能方面，襯底和外延方面國內公司產能以4英寸為主，向6英寸過渡，而國際上已實現6英寸商用化，各龍頭公司紛紛開啟8英寸布局，國內產能仍落后一定差距。
未來隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業等領域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場規模有望持續提升。根據Yole的預測，2027年球導電型碳化硅功率器件市場規模有望達62.97億美元，其中汽車是導電型碳化硅功率器件第一大應用市場。全球新能源汽車頭部廠商正在逐漸采用導電型碳化硅功率器件，新一輪產業機會即將爆發。
編輯：zqy 最后修改時間：2023-03-16
