第三代半导体核心材料——碳化硅产业链分析

前言

碳化硅作为第三代半导体材料，具有耐高压，耐高频，耐高温等特点，被广泛应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通等领域。2021年，碳化硅器件的市场规模达到10.9亿美元，预计到2027年将增至63亿美元，年均复合增长率超过34%。2021年3月《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出需要重点发展碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体产业。因此，碳化硅产业具有光明的市场前景。

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碳化硅半导体材料概述

碳化硅材料的性质及应用

       碳化硅（SiC）材料为第三代半导体材料，相较于传统的硅基半导体，具有禁带宽度大，击穿电场高、电子饱和迁移速率快、热导率高等特点。基于碳化硅的性能特点，碳化硅功率器件被认为是可以替代硅基功率器件，其具有优良的性能包括：（1）耐高压，碳化硅的击穿电场强度是硅的10余倍，使得其器件耐高压特性显著高于同等硅器件；（2）耐高频，碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率导致其器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高器件的开关速度（大约是 Si 的 3-10 倍），适用于更高频率和更快的开关速度；（3）耐高温，碳化硅相较硅拥有更高的热导率，使得器件极限工作温度更高。

表1 三代半导体性能对比

数据来源：天岳先进招股书，电子元器件交易网

        随着硅基器件的性能已接近物理极限，采用碳化硅材料制备功率器件替换现有硅基功率器件可以大幅提高器件性能，未来可主要应用于新能源汽车/充电桩、光伏发电、交通等领域。根据 Yole数据显示，预计到2023年，全球碳化硅材料渗透率有望达到 3.75%；预计到2027年碳化硅器件市场规模将增至63亿美元，年均复合增长率超过34%。

碳化硅产业链

        碳化硅产业链环节包括衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节。产业链上游为碳化硅衬底，其中用于制备碳化硅器件的衬底为导电型碳化硅衬底。中游为碳化硅外延片，与硅基器件不同，碳化硅器件需要在外延层进行制备。下游主要包括器件的设计与制造，目前的碳化硅器件包括碳化硅二极管、碳化硅 MOSFET 等功率器件。

图1 碳化硅产业链

资料来源：海通证券

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碳化硅产业链上游：碳化硅衬底

碳化硅衬底制备工艺

        碳化硅产业链价值集中于上游衬底和中游外延环节。根据 CASA 的数据，衬底约占碳化硅器件成本的 47%。碳化硅衬底的制作流程一般包括原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、晶片研磨、抛光、清洗等环节。其中晶体生长阶段为整个流程的核心，决定了碳化硅衬底的电学性质，目前，采用成熟的物理气相传输法（PVT 法）生长不同尺寸的碳化硅晶锭。

图2 碳化硅衬底制备流程

资料来源：天科合达招股书，浙商证券

碳化硅衬底市场情况

       在市场规模方面，根据Yole数据，2020年导电型SiC衬底市场规模为2.76亿美元。

       在市场分布方面，2021年导电型碳化硅衬底市场集中度CR3为90%，其中市场占有前三的公司为Wolfspeed、II-IV、罗姆三家海外大厂。美国的Wolfspeed公司的市场占比为62%。在国内厂商方面，天科合达和山东天岳的市场占比1.7%和0.5%。

       在未来发展方面，大尺寸衬底是未来的发展方向。目前Wolfspeed已实现8英寸衬底的大规模生产，II-IV和罗姆在部署8英寸衬底的产线。我国厂商起步较晚，研发进度稍慢，主要集中在 4 英寸和 6 英寸衬底的生产，但与行业龙头差距正在逐渐缩小。天岳先进和天科合达已实现6英寸衬底的批量供货，天科合达在进行8英寸衬底的开发。

图3 导电型碳化硅衬底市场格局

资料来源：Yole，长桥海豚投研，华安证券

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碳化硅产业链中游：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、与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。碳化硅器件不可直接制作于衬底上，需先在衬底表面生成所需薄膜材料，即形成外延片，再进一步制成器件。

碳化硅外延片制备工艺

       目前主流厂商采用化学气相沉积法（CVD）制备碳化硅外延片。通常采用氢气作为载气，硅烷和丙烷作为硅源与碳源，将两者在沉积室中发生反应后生成碳化硅分子并沉积在碳化硅衬底上。

图4 CVD法制备外延层

资料来源：《基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延》

       外延片的质量对器件影响很大，在中、低压应用领域，碳化硅外延的技术相对比较成熟。外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平，基本上可以满足低中压的SBD、JBS、MOS等器件的需求。在高压领域外延的技术发展相对比较滞后。目前外延片需要攻克的难关还很多，主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

碳化硅外延片市场情况

      目前，外延成本占碳化硅产业链成本约23%，外延为碳化硅产业链中重要环节。

      世界碳化硅外延市场主要被国外衬底厂商及IDM厂商包揽。外延片企业主要有 Wolfspeed、昭和电工、II-VI、罗姆等，多数是IDM公司。2020年，Wolfspeed和昭和电工的市场占有率分别为52%和43%。

图5 2020年全球碳化硅外延片市占率

资料来源：Wolfspeed，Yole

        中国厂商同样正加速布局碳化硅外延片环节。瀚天天成和东莞天域半导体为国内主要外延片生产厂商。瀚天天成聚焦于 6 英寸碳化硅外延晶片生产，计划二期项目2023 年达产，产能为 20 万片/年。天域半导体计划进行6 英寸和 8 英寸碳化硅外延晶片生产线建设，预计 2025 年实现营收 8.7 亿元。

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碳化硅产业链下游：碳化硅器件

碳化硅器件性能特点

        碳化硅材料因其特性，被认为是可以用来制备应用于高温高压领域的新一代功率器件。功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，作用是实现对电能的处理、转换和控制，主要包括功率二极管、MOSFET、IGBT 等。

       碳化硅功率器件主要包括碳化硅SBD及MOSFET，其具有耐高电压、高温、高频率、低损耗等特性。根据Wolfspeed和Applied Materials等公司的数据，相较于硅基功率器件，碳化硅基 MOSFET 尺寸可以减少为同电压硅基器件的十分之一，开关损耗减少7倍，总损耗减少3/4，冷却系统体积和重量都减少80%。

图6 硅基器件与碳化硅MOSFET器件性能对比

资料来源：Wolfspeed官网，兴业证券

碳化硅功率器件市场需求端分析

        碳化硅功率器件下游应用广泛，主要包括新能源汽车/充电桩、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域均有广泛应用前景。Yole 数据显示，2021年全球碳化硅功率器件市场规模为10.9亿美元，预计到2027年碳化硅器件市场将增至63亿美元，年均复合增长率超过34%。

图7 碳化硅功率器件全球市场情况

资料来源：Yole

（1）新能源车

       新能源汽车占据碳化硅功率器件最主要的市场份额，占比约为63%。碳化硅功率器件在新能源汽车中主要用于主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、DC/DC和非车载充电桩中。随着新能源车企对800V高压平台系统的加速布局，其对功率半导体器件的性能要求也逐渐严苛，硅基功率器件已无法满足要求。碳化硅功率器件因其耐高压高温的特性被各大车企寄予厚望，特斯拉，保时捷，小鹏等车企已将碳化硅功率器件用于其800V平台。比亚迪等车企也将碳化硅功率器件用于其车载电控、OBC、DC/DC上。

图8 碳化硅器件在新能源汽车的应用

资料来源：Yole

        随着新能源汽车的销量和渗透率的增加，碳化硅功率器件的需求与占比将进一步增加。英飞凌预计到2025年，汽车电子功率器件领域采用碳化硅器件的占比会超过20%；Yole预计到2027年，新能源车领域在碳化硅功率器件的市场占比将进一步提升至74%，市场规模约为49.86亿美元。

（2）光伏与储能

       2021年光伏与储能领域在碳化硅器件市场占比为14%。光伏产业正在迈入“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”的时代。通过元器件升级，提高功率密度可以极大地帮助光伏逆变器提效将本。将光伏电压等级从1000V提升至1500V，功率器件必须采用耐高压的碳化硅功率器件。随着光伏电压等级的不断提高，未来光伏功率器件将会以碳化硅为主。预计到2025年，碳化硅器件在逆变器中的渗透率将达到50%；到2027年，能源领域的碳化硅器件的市场规模将达到4.58亿美元。

碳化硅功率器件市场供给端分析

         目前，碳化硅器件生产厂商由欧美日IDM大厂掌控，主要包括STM（意法半导体）、Infineon（英飞凌）、Wolfspeed、ONSemi（安森美）以及罗姆。其中，意法半导体市场份额约占40%居于首位，英飞凌，Wolfspeed，罗姆和安森美的市场份额分别约占22%，14%，9.8%和7.1%。目前，碳化硅功率器件生产厂商的CR5高达93%。

图9 碳化硅功率器件供应商

资料来源：英飞凌

        随着碳化硅器件的市场规模增加，国内企业在碳化硅功率器件领域持续推进。传统功率器件制造商与新兴碳化硅器件制造商纷纷入局，时代电气、斯达半导体、华润微、士兰微、积塔半导体、三安光电等传统功率器件厂商加速碳化硅器件产线的布局；泰科天润、基本半导体、瞻芯等新兴碳化硅器件制造商也在加速器件生产。三安光电、华润微、泰科天润等厂商的碳化硅MOSFET以及模组已得到部分新能源车企的应用。

结语

       碳化硅作为第三代半导体材料是最有前景的半导体材料之一。与传统硅材料相比，碳化硅器件具有耐高压、耐高温、耐高频、低能耗等优点，可广泛应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通等领域，具有数十亿美元的市场前景。随着我国大力发展第三代半导体产业，国内碳化硅产业链也在逐步成形。在衬底方面，我国厂商逐渐向8英寸尺寸推进；在器件方面，各大厂商也在加速布局，推进碳化硅器件生产。

备注：本文章观点主要参考各类公开资料整理，如有不妥欢迎指正。

（作者单位：中铝创投基金公司）

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