4969
近年來(lái)，以碳化硅（SiC）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料備受關(guān)注，在禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速率、抗輻射能力等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率的需求。
碳化硅器件按照電阻性能的不同，可以分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。
①導(dǎo)電型碳化硅功率器件主要是通過(guò)在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進(jìn)一步加工制成，品種包括SBD（肖特基二極管）、MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）等，主要用于電動(dòng)汽車、光伏、軌道交通、數(shù)據(jù)中心、充電等基礎(chǔ)建設(shè)。目前碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。
下游應(yīng)用方面，導(dǎo)電型碳化硅功率器件主要以新能源車、充電設(shè)備和光伏、工業(yè)為主。其中在新能源汽車市場(chǎng)占比非常高，達(dá)到63%。SiC器件主要應(yīng)用在新能源汽車的PCU（動(dòng)力控制單元，如車載DC/DC）和OBC（充電單元），相比于Si器件，SiC器件可減輕PCU設(shè)備的重量和體積，降低開(kāi)關(guān)損耗，提高器件的工作溫度和系統(tǒng)效率；OBC充電時(shí)，SiC器件可以提高單元功率等級(jí)，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，提高功率密度，提高充電速度；另外，在光伏領(lǐng)域，因?yàn)镾iC材料具有更低的導(dǎo)通電阻、柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，使用SiC Mosfet或SiC Mosfet與SiC SBD結(jié)合的光伏逆變器，可將轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99%+，能量損耗降低50%+，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。
數(shù)據(jù)來(lái)源：Yole，東吳證券研究所
②半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片后進(jìn)一步制成，包括HEMT（高電子遷移率晶體管）等氮化鎵射頻器件。
下游應(yīng)用方面，半絕緣型碳化硅基射頻器件主要用于5G通信、車載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天等領(lǐng)域。碳化硅、氮化鎵材料的飽和電子漂移速率分別是硅的2.0、2.5 倍，因此碳化硅、氮化鎵器件的工作頻率大于傳統(tǒng)的硅器件。然而，氮化鎵材料存在耐熱性能較差的缺點(diǎn)，而碳化硅的耐熱性和導(dǎo)熱性都較好，可以彌補(bǔ)氮化鎵器件耐熱性較差的缺點(diǎn)，因此業(yè)界采取半絕緣型碳化硅做襯底，在襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層后制造射頻器件。
目前全球碳化硅行業(yè)發(fā)展尚未成熟，盡管歐美等國(guó)家因?yàn)橄劝l(fā)優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)和產(chǎn)能方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但中國(guó)過(guò)去幾年的追趕速度也是非常驚人的。下面，我們一起來(lái)看下在SiC器件領(lǐng)域，中外的現(xiàn)況如何？
市場(chǎng)份額：CR6超95%，均為海外廠商
根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，全球碳化硅器件的市場(chǎng)份額由海外巨頭壟斷，全球TOP6廠商占據(jù)95%以上的市場(chǎng)份額，由高到低分別為：意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機(jī)、安森美。其中最大的碳化硅器件廠商為意法半導(dǎo)體，市占率達(dá)到40%，向特斯拉提供SiC MOSFET模塊；其次是英飛凌，市占率22%，據(jù)悉已向全球3600多家汽車和工業(yè)客戶提供碳化硅產(chǎn)品。
數(shù)據(jù)來(lái)源：Yole，東吳證券研究所
盡管國(guó)內(nèi)企業(yè)在碳化硅器件領(lǐng)域起步較晚，但在碳化硅市場(chǎng)規(guī)模高速增長(zhǎng)、行業(yè)供需持續(xù)緊張的背景下，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)功率器件制造商與新興SiC器件制造商紛紛入局。國(guó)內(nèi)廠商加大SiC器件的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)線投資力度，加速追趕國(guó)際龍頭。本土IDM的企業(yè)有三安光電、世紀(jì)金光、華潤(rùn)微電子、士蘭微電子、斯達(dá)半導(dǎo)、揚(yáng)杰科技等，F(xiàn)abless企業(yè)有派恩杰、愛(ài)仕特、東微半導(dǎo)體、上海瀚薪等。
品類商業(yè)化：SiC二極管本土商業(yè)化漸完善，SiC MOS中外差距大
SiC二極管，本土廠商商業(yè)化逐步完善。目前國(guó)內(nèi)多家廠商已設(shè)計(jì)出 SiC SBD產(chǎn)品，中高壓SiC SBD產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，在車載OBC中，多采用SiC SBD+SI IGBT實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流密度。目前國(guó)內(nèi)在SiC SBD產(chǎn)品的專利設(shè)計(jì)方面沒(méi)有障礙，派恩杰已經(jīng)開(kāi)始六代SiC SBD的研發(fā)，與國(guó)外差距較小。
SiC MOS本土廠商多處于流片、客戶驗(yàn)證階段，與海外廠商商業(yè)化差距大。海外廠商意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆等600-1700V SiC MOS已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并和多家客戶達(dá)成簽單出貨，而國(guó)內(nèi)廠商的相關(guān)制造平臺(tái)正在搭建中，SiC MOS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)產(chǎn)SiC MOSFET目前主要被用于OBC上，應(yīng)用于電動(dòng)汽車主驅(qū)上的基本還沒(méi)有。但隨著國(guó)內(nèi)需求的增長(zhǎng)，在國(guó)產(chǎn)替代的趨勢(shì)下，可以預(yù)計(jì)未來(lái)很快就可以看到國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET在電動(dòng)汽車主驅(qū)上的應(yīng)用。
技術(shù)路線：平面、溝槽結(jié)構(gòu)，中外廠商均有布局
SiC MOSFET可分為平面結(jié)構(gòu)與槽結(jié)構(gòu)，兩種工藝各有優(yōu)劣。平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單，單元一致性較好，雪崩能量較高；缺點(diǎn)在于存在JFET效應(yīng)，從而增加通態(tài)電阻，寄生電容也較大。溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有JFET效應(yīng)，寄生電容小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗低，缺點(diǎn)在于工藝復(fù)雜，單元一致性較差。
目前平面結(jié)構(gòu)SiC MOS廠商眾多，其在制造端相對(duì)簡(jiǎn)單，可以滿足可制造性和成本可控兩方面。海外廠商意法半導(dǎo)體、Wolfspeed目前為平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)也在研究溝槽結(jié)構(gòu)方案；國(guó)內(nèi)廠商包括斯達(dá)半導(dǎo)體、新潔能、APS、瞻芯電子、上海瀚薪等Fabless廠商選擇平面結(jié)構(gòu)。
目前市場(chǎng)中，能夠量產(chǎn)溝槽型SiC MOSFET的企業(yè)為羅姆的雙溝槽結(jié)構(gòu)、英飛凌的半包溝槽結(jié)構(gòu)和日本住友的接地雙掩埋結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，時(shí)代電氣子公司時(shí)代半導(dǎo)體宣布投資4.62億元擴(kuò)產(chǎn)6英寸溝槽型SiC器件，三安光電、華潤(rùn)微電子的碳化硅溝槽MOS產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)布局。
對(duì)于溝槽型碳化硅器件來(lái)說(shuō)，未來(lái)的技術(shù)演進(jìn)方向是減小溝槽底部氧化層工作電場(chǎng)強(qiáng)度，避免專利侵權(quán)和可控的制造成本。
SiC晶圓產(chǎn)能：本土加速
根據(jù)《2022碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書(shū)》，2022年國(guó)外有30個(gè)碳化硅相關(guān)項(xiàng)目擴(kuò)產(chǎn)或投產(chǎn)，總投資金額超過(guò)800億人民幣，新增襯底產(chǎn)能超過(guò)250萬(wàn)片。2023年以來(lái)，海外大廠持續(xù)加大與上下游合作伙伴在襯底材料、外延片、器件供應(yīng)等方面的合作。
國(guó)內(nèi)方面，據(jù)集邦咨詢統(tǒng)計(jì)，中國(guó)已有約70家廠商切入SiC功率器件業(yè)務(wù)，整體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將進(jìn)入高度競(jìng)爭(zhēng)階段。而SiC晶圓產(chǎn)能方面，據(jù)集邦咨詢不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年三季度，中國(guó)已有約24家廠商涉足SiC晶圓制造。其中IDM廠商15家，7家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；Foundry廠商9家，5家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。以各家晶圓產(chǎn)能來(lái)看，三安光電與積塔半導(dǎo)體分別位居IDM與Foundry廠商首位。
數(shù)據(jù)來(lái)源：公司官網(wǎng)、東吳證券研究所、與非網(wǎng)
整體來(lái)看，中國(guó)SiC晶圓廠產(chǎn)能擴(kuò)張的步伐在加速。集邦咨詢統(tǒng)計(jì)2022年由中國(guó)廠商釋放的SiC MOSFET晶圓產(chǎn)能尚不足全球10%，不過(guò)預(yù)計(jì)自2023年四季度開(kāi)始會(huì)有所好轉(zhuǎn)。
再看上游材料端，碳化硅襯底和外延片的價(jià)值量占比超過(guò)一半，襯底成本最大，占比達(dá)47%；其次是外延成本占比為23%，成為決定碳化硅器件品質(zhì)的關(guān)鍵。
襯底：本土廠商尺寸、良率相對(duì)落后
2022年4月，Wolfspeed位于紐約的莫霍克谷SiC制造工廠正式開(kāi)業(yè)，成為全行業(yè)首個(gè)實(shí)現(xiàn)8英寸SiC晶圓量產(chǎn)的企業(yè)。目前全球企業(yè)都積極布局8英寸SiC晶圓產(chǎn)線，根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外已有十余家企業(yè)將8英寸SiC晶圓量產(chǎn)提上日程，但大部分還處于樣品或小規(guī)模量產(chǎn)的階段。
數(shù)據(jù)來(lái)源：半導(dǎo)體在線
導(dǎo)電型襯底方面，目前國(guó)外廠商已領(lǐng)先6英寸碳化硅襯底供應(yīng)，并開(kāi)始供應(yīng)8英寸襯底；國(guó)內(nèi)企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，已具備6英寸SiC襯底量產(chǎn)能力，2-3年內(nèi)會(huì)有大量產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而8英寸襯底已有部分本土廠商研發(fā)成功。
半絕緣型襯底方面，目前國(guó)外廠商在襯底和外延上由4英寸向6英寸轉(zhuǎn)移，4英寸線預(yù)計(jì)3-5年逐漸淘汰；而國(guó)內(nèi)企業(yè)襯底主要集中在2-4英寸。
雖然本土廠商的襯底尺寸相比海外頭部企業(yè)相差一代，但是天科合達(dá)、天岳先進(jìn)等國(guó)內(nèi)廠商已經(jīng)在全球SiC襯底市場(chǎng)占據(jù)了一定份額，2022年兩者市場(chǎng)份額分別為13%、2%。
另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等廠商的產(chǎn)能在20-30萬(wàn)片/年，國(guó)外Wolfspeed、羅姆、II-VI等廠商的產(chǎn)能在50-60片/年。同時(shí)由于設(shè)備、人才短缺，國(guó)內(nèi)SiC襯底良率較低，國(guó)內(nèi)龍頭天岳先進(jìn)、天科合達(dá)的良率只有50%，而海外Wolfspeed的良率已達(dá)85%左右，這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)碳化硅功率半導(dǎo)體器件的價(jià)格較高昂，且市場(chǎng)滲透率較低。
外延片：全球雙寡頭壟斷
2020年Wolfspeed與昭和電工分別占據(jù)全球碳化硅導(dǎo)電型外延片市場(chǎng)52%和43%的市場(chǎng)份額，合計(jì)高達(dá)95%，形成雙寡頭壟斷。由于進(jìn)口外延爐供貨短缺、國(guó)內(nèi)外延爐仍需驗(yàn)證、外延工藝難度大等原因，國(guó)內(nèi)SiC外延廠商較少，市占率較低。
國(guó)內(nèi)瀚天天成和東莞天域是國(guó)內(nèi)Top2的外延片廠商。①產(chǎn)能方面：瀚天天成2022年6英寸產(chǎn)能達(dá)12萬(wàn)片，2023年計(jì)劃產(chǎn)能40萬(wàn)片（包括6/8英寸），至2025年產(chǎn)能目標(biāo)約140萬(wàn)片；東莞天域2022年6英寸產(chǎn)能達(dá)8萬(wàn)片，并且啟動(dòng)年產(chǎn)100萬(wàn)片的6/8英寸外延項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2025年竣工并投產(chǎn)。②技術(shù)方面：國(guó)內(nèi)6英寸外延均較為成熟和穩(wěn)定，8英寸均有儲(chǔ)備，其中瀚天天成已實(shí)現(xiàn)8英寸外延技術(shù)的突破，且具有量產(chǎn)能力；東莞天域正攻克關(guān)鍵技術(shù)，預(yù)計(jì)2025年首條8英寸外延產(chǎn)線投產(chǎn)。
數(shù)據(jù)來(lái)源：芯世相、芯智訊、集邦、東吳證券研究所
寫(xiě)在最后
SiC器件逐步替代部分硅基功率器件是較為明確的趨勢(shì)，關(guān)鍵痛點(diǎn)在于供應(yīng)穩(wěn)定性和價(jià)格，這需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈從襯底、外延、器件到模塊封裝各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)良率提升、產(chǎn)能擴(kuò)大、產(chǎn)線穩(wěn)定等的優(yōu)化和改進(jìn)。
中國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)戰(zhàn)略機(jī)遇期。盡管國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，在產(chǎn)品技術(shù)、產(chǎn)能等方面相對(duì)處于劣勢(shì)，但隨著本土SiC廠商的技術(shù)不斷突破和國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)一步壯大，在全球競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)更有利的地位。
