碳化硅行業(yè)研究：把握能源升級(jí)+技術(shù)迭代的成長(zhǎng)機(jī)遇

32 2023-03-13

下一代功率器件關(guān)鍵技術(shù)：碳化硅

近年來(lái)，隨著 5G、新能源等高頻、大功率射頻及電力電子需求的快速增長(zhǎng)，硅基半導(dǎo)體器件的物理極限瓶頸逐漸凸顯，如何在提升功率的同時(shí)限制體積、發(fā)熱和成本的快速膨脹成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，以碳化硅為首的第三代半導(dǎo)體材料在這一趨勢(shì)下逐漸從科研走向產(chǎn)業(yè)化。與硅基半導(dǎo)體材料相比，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射能力等特點(diǎn)，適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）能量損耗低。碳化硅模塊的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗顯著低于同等 IGBT 模塊，且隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，與 IGBT 模塊的損耗差越大，碳化硅模塊在降低損耗的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn) 高速開(kāi)關(guān)，有助于降低電池用量，提高續(xù)航里程，解決新能源汽車(chē)痛點(diǎn)；

（2）更小的封裝尺寸。碳化硅器件具備更小的能量損耗，能夠提供較高的電流密度。在相同功率等級(jí)下，碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基模塊，有助于提升系統(tǒng)的功率密度；（3）實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)。碳化硅材料的電子飽和漂移速率是硅基的 2 倍，有助于提升器件的工作頻率；高臨界擊穿電場(chǎng)的特性使其能夠?qū)?MOSFET 帶入高壓領(lǐng)域，克服 IGBT 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的拖尾電流問(wèn)題，降低開(kāi)關(guān)損耗和整車(chē)能耗，減少無(wú)源器件如電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體積和重量；（4）耐高溫、散熱能力強(qiáng)。碳化硅的禁帶寬度、熱導(dǎo)率約是硅基的 3 倍，可承受溫度更高，高熱導(dǎo)率也將帶來(lái)功率密度的提升和熱量的更易釋放，冷卻部件可小型化，有利于系統(tǒng)的小型化和輕量化。

這些優(yōu)勢(shì)有利于電源的高效率化，并且通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電感等無(wú)源器件的小型化、低噪化，可廣泛應(yīng)用于空調(diào)、電源、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)器、電動(dòng)汽車(chē)的快速充電器等的功率因數(shù)校正電路（PFC 電路）和整流橋電路中。

而實(shí)際上，碳化硅相比硅帶來(lái)的最大變化我們可以總結(jié)為“舊結(jié)構(gòu)+新材料”，亦即通過(guò) 把材料更換為碳化硅解決過(guò)去硅基 MOSFET 在高電壓場(chǎng)景下的瓶頸，讓高頻高速的 MOSFET 得以在高壓場(chǎng)景下充分發(fā)揮開(kāi)關(guān)效率高的優(yōu)勢(shì)。一般而言，硅基材料中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約 2~2.5 次方的比例增加），因此過(guò)去 600V 以上的電壓中主要采用 IGBT 器件，通過(guò)電導(dǎo)率調(diào)制向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比 MOSFET 要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開(kāi)關(guān)損耗。

而碳化硅器件漂移層的阻抗比硅基器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以 MOSFET 實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻抗，因而碳化硅 MOSFET 原理上在開(kāi)關(guān)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生拖尾尾電流，可高速運(yùn)行且開(kāi)關(guān)損耗低，能夠在 IGBT 不能工作的高頻、高溫條件下驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)散熱部件的小型化。

大功率+高頻+低損耗：難以拒絕的效率吸引力

在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)升級(jí)的過(guò)程中，無(wú)論是發(fā)電端的光伏、風(fēng)電，輸電端的高壓柔直，用電端的新能源車(chē)、充電樁、白電、工控，對(duì)于電壓和能源轉(zhuǎn)換效率的要求都在不斷提升，同時(shí)在成本和安全約束下也更為看重系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，因此有著更低開(kāi)關(guān)損耗、更高可靠度、更輕重量、更小體積以及更為耐高溫的碳化硅器件越來(lái)越受到下游環(huán) 節(jié)的關(guān)注，尤其是在中壓范圍的光伏、風(fēng)電、新能源車(chē)、充電樁、服務(wù)器 UPS 電源、工控電源、白電，近年來(lái)已陸續(xù)開(kāi)始嘗試使用碳化硅器件替代或部分替代原有的硅基 IGBT。

新能源車(chē)是未來(lái)碳化硅功率器件的主要驅(qū)動(dòng)力。作為電力電子轉(zhuǎn)換器件，碳化硅器件在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)存在五個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景,包括電機(jī)控制器（電驅(qū)）、車(chē)載充電機(jī) OBC、 DC/DC 變換器、空調(diào)系統(tǒng)以及充電樁。對(duì)于新能源車(chē)而言，碳化硅器件要比硅基器件有著更低的導(dǎo)通損耗、更高的工作頻率和更高的工作電壓，因此其可提高能源轉(zhuǎn)換效率、增加續(xù)航里程、提升整體功率、降低車(chē)身重量和綜合成本，考慮到未來(lái)電動(dòng)車(chē)需要更長(zhǎng) 的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，在車(chē)用半導(dǎo)體中，碳化硅將會(huì)是未來(lái) 新能源車(chē)功率器件升級(jí)中非常重要的趨勢(shì)。目前，OBC 采用的碳化硅 MOSFET 主流規(guī)格有 1200V/40mΩ，1200V/80mΩ以及 650V/45mΩ、650V/60mΩ；DC/DC 采用的碳化硅 MOSFET 主流規(guī)格為 1200V/160m Ω電控用碳化硅 MOSFET 主流規(guī)格為 1200V/15mΩ。

以主驅(qū)為例，碳化硅解決方案可以在更低損耗情況下獲得更高逆變器效率。碳化硅在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)效率提高 1.4%以上，更低損耗意味著更小的冷卻系統(tǒng)和更長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí) 間。相比硅基 IGBT，碳化硅電控系統(tǒng)體積更小、頻率更高、開(kāi)關(guān)損耗更低，可以使電驅(qū)系統(tǒng)在高壓高溫下保持高速穩(wěn)定運(yùn)行。

簡(jiǎn)單而言，碳化硅 MOSFET 方案可顯著節(jié)省電動(dòng)汽車(chē)成本：（1）節(jié)省電池成本：在 EV 平均工作環(huán)境下，碳化硅逆變器的效率比 IGBT 逆變器高 3.4%（負(fù)載 15%）。與基于硅基 IGBT 的 85kWh 電池電動(dòng)汽車(chē)相比，碳化硅版本僅需要 82.1kWh，按照每千瓦時(shí) 150 美元的電池成本，ST 測(cè)算案例下搭載碳化硅逆變器的電池成本節(jié)省約 435 美元。（2）散熱器：散熱器的大小必須根據(jù)最大工作條件下的功率耗散而定。ST 測(cè)算案例下峰值負(fù)載時(shí)的逆變器耗散（250Arms）：與 IGBT 版本相比，基于碳化硅的逆變器只需耗散 61%的熱量，碳化硅 MOSFET 允許體積更小、更低成本的散熱器。

對(duì)于新能源車(chē)而言，一方面是電池成本的節(jié)?。ㄩL(zhǎng)續(xù)航），一方面也是 800V 快充（快速充電）的需求，共同催生了對(duì)碳化硅器件的更換需求?？斐浼夹g(shù)的核心在于提高整車(chē)充電功率，也就需要提高整車(chē)充電功率，基于功率=電流*電壓的公式，提升功率只有加大充電電流或提高充電電壓兩種方式，而充電電流加大意味著更粗更重的線束、更多的發(fā) 熱量以及更多附屬設(shè)備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設(shè)計(jì)自由度，這直接推動(dòng)了 400V 電壓平臺(tái)向 800V 電壓平臺(tái)轉(zhuǎn)換。

而碳化硅 MOSFET 在 800V 高壓電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用中具備幾乎無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，最核心的原因是電壓升高后硅基 IGBT 的導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗都有顯著上升，成本升+效率降將使得 800V 的實(shí)際經(jīng)濟(jì)性大為降低，因此在 800V 電壓平臺(tái)中，企業(yè)更傾向選擇高頻低損耗的碳化硅 MOSFET 方案，因此目前 800V 電控乃至配套的 OBC 大部分已選用或規(guī)劃采用碳化硅 MOSFET 器件。平臺(tái)級(jí)別的規(guī)劃有現(xiàn)代 E-GMP、通用奧特能（Ultium） -皮卡領(lǐng)域、保時(shí)捷 PPE、路特斯 EPA，除保時(shí)捷 PPE 平臺(tái)車(chē)型未明確搭載碳化硅 MOSFET 外（首款車(chē)型為硅基 IGBT），其他車(chē)企平臺(tái)均采用碳化硅 MOSFET 方案。800V 平臺(tái)主要有長(zhǎng)城沙龍品牌機(jī)甲龍、北汽極狐 SHI 版、理想汽車(chē) S01 和 W01、小鵬 G9、寶馬 NK1、長(zhǎng)安阿維塔 E11 均表示將搭載 800V 平臺(tái)，此外比亞迪、嵐圖、廣汽埃安、奔馳、零跑、一汽紅旗、大眾等也表示 800V 技術(shù)在研。

以哪吒汽車(chē)發(fā)布的浩智 800V 碳化硅高性能電驅(qū)系統(tǒng)為例，采用碳化硅半導(dǎo)體器件，不僅能在更高溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，適用于高電壓、高頻率場(chǎng)景，還能以更低的損耗獲得更高的運(yùn)行能力，可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 20KHz 的高頻運(yùn)行。800V 碳化硅高性能電驅(qū)系統(tǒng)搭載的碳化硅電控可以實(shí)現(xiàn) 400V 碳化硅功率器件損耗降低 30%-50%，800V 碳化硅功率器件損耗降低 50%-70%。碳化硅應(yīng)用帶來(lái) 6 個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：（1）控制器溫度降低 5-8℃，電機(jī)本體溫度降低 8- 12℃，系統(tǒng)運(yùn)行更可靠；（2）CLTC 綜合效率提升 3%-5%，整車(chē)?yán)m(xù)航里程增加高達(dá) 8%；（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲降低 5-8dB（A）；（4）支持 800V 快充，充電速度更快，可實(shí)現(xiàn) 5min 充電 200km 續(xù)航；（5）電池放電電流降低，有利于電池?zé)峁芾?；?）控制器功率密度達(dá)到 50kW/L，體積更小。

基于電池成本節(jié)約和 800V 平臺(tái)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)車(chē)用碳化硅市場(chǎng)規(guī)模有望快速擴(kuò)大，行業(yè)成長(zhǎng)機(jī)遇顯著。據(jù) Yole，2021 年全球碳化硅市場(chǎng)規(guī)模約為 6.85 億美元，到 2026 年有望成長(zhǎng)至 38.10 億美元，2021~2026 年間復(fù)合增速達(dá) 40.96%。其中，逆變器是車(chē) 用碳化硅的主要應(yīng)用領(lǐng)域，2021~2027 年間占車(chē)用碳化硅市場(chǎng)規(guī)模約為 90%~92%，這意味著確定 1、什么車(chē)型要用碳化硅；2、什么公司是車(chē)用逆變器用碳化硅主力供應(yīng)商這兩個(gè)問(wèn)題即可把握最為關(guān)鍵的成長(zhǎng)機(jī)遇。

當(dāng)前而言，車(chē)用碳化硅的滲透已不再是產(chǎn)業(yè)的遠(yuǎn)期規(guī)劃，而是已進(jìn)入了正在進(jìn)行時(shí)。據(jù) 行家說(shuō) Research，2022 年 1-9 月全球搭載碳化硅主驅(qū)的車(chē)型銷(xiāo)量合計(jì)超過(guò)了 130 萬(wàn) 臺(tái)，在全球總銷(xiāo)量 681 萬(wàn)臺(tái)中占比接近 20%。類(lèi)似的，據(jù) NE 時(shí)代，2022 年我國(guó) 200kw 以上高功率新能源車(chē)電驅(qū)出貨量達(dá)到 53 萬(wàn)套，占總體出貨量比重接近 10%，同時(shí)受特斯拉、蔚來(lái)、比亞迪、小鵬新車(chē)的推動(dòng)，搭載碳化硅功率模塊的電控出貨量突破 50 萬(wàn) 套，占比達(dá)到 9.4%，總體低于 2022 年前三季度全球碳化硅車(chē)型滲透率，未來(lái)我國(guó)碳化硅市場(chǎng)增長(zhǎng)有望快速提升。

除了新能源車(chē)以外，未來(lái)光伏、風(fēng)電發(fā)電將會(huì)是全球新能源發(fā)電端發(fā)展的主要方向，整體新增裝機(jī)量持續(xù)提升，而逆變器是光伏不可或缺的重要組成部分，是光伏發(fā)電能否有效、快速滲透的關(guān)鍵之一。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來(lái)發(fā) 展趨勢(shì)，據(jù)天科合達(dá)招股說(shuō)明書(shū)，目前在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng) 10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來(lái)源之一。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 與碳化硅 SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng) 體積、增加功率密度、延長(zhǎng)器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。碳化硅功率器件，為實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的“高轉(zhuǎn)換效率”和“低能耗”提供了所需的低反向恢復(fù)和快速開(kāi)關(guān)特性，對(duì) 提升光伏逆變器功率密度、進(jìn)一步降低度電成本至關(guān)重要。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)逐漸替代硅基器件。

目前，集中式逆變器暫無(wú)需采用碳化硅器件，而分布式光伏逆變器中有機(jī)會(huì)使用碳化硅二極管和 MOSFET，主流組串式逆變器則已經(jīng)開(kāi)始采用碳化硅二極管+硅基 IGBT 的混合模塊方案，據(jù) Trendforce，陽(yáng)光電源、華為等廠商均采用此方案；微逆 Boost 升壓電路會(huì)使用碳化硅二極管，昱能科技正在采用泰科天潤(rùn)的產(chǎn)品。

此外，儲(chǔ)能、充電樁、軌道交通、智能電網(wǎng)等也將大規(guī)模應(yīng)用功率器件。整體而言，隨著器件的小型化與對(duì)效率要求提升，采用化合物半導(dǎo)體制成的電力電子器件可覆蓋大功率、高頻與全控型領(lǐng)域，其中碳化硅的出現(xiàn)符合未來(lái)能源效率提升的趨勢(shì)。以碳化硅制成的電力電子器件，工作頻率、效率及耐溫的提升使得功率轉(zhuǎn)換（即整流或者逆變）模塊中對(duì)電容電感等被動(dòng)元件以及散熱片的要求大大降低，將優(yōu)化整個(gè)工作模塊。未來(lái)，在 PFC 電源、光伏、純電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車(chē)、不間斷電源（UPS）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)能發(fā)電以及鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，碳化硅的應(yīng)用面會(huì)不斷鋪開(kāi)。

在多種應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，全球碳化硅市場(chǎng)規(guī)模快速提升，據(jù) Yole，2022 年全球碳化硅市場(chǎng)規(guī)?；?qū)⑦_(dá) 15.34 億美元，同比增長(zhǎng) 40.72%，預(yù)計(jì)到 2027 年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá) 62.97 億美元，2021~2027 年復(fù)合增速超 30%。其中，分領(lǐng)域而言，大部分市場(chǎng)規(guī)模由新能源車(chē)貢獻(xiàn)；增速方面，風(fēng)電、新能源車(chē)相對(duì)較快。

產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)拆解：襯底先行，晶圓決勝

碳化硅器件生產(chǎn)過(guò)程跟傳統(tǒng)的硅基器件基本一致，主要分為襯底制備、外延層生長(zhǎng)、晶圓制造以及封裝測(cè)試四個(gè)環(huán)節(jié)，其中：襯底：高純度的碳粉和硅粉 1:1 混合制成碳化硅粉，通過(guò)單晶生長(zhǎng)成為碳化硅晶錠，然后對(duì)其進(jìn)行切割、打磨、拋光后得到透明的碳化硅襯底，其厚度一般為 350 μm；外延：碳化硅襯底的表面特性不足以支撐制造碳化硅器件，需要采用氣相沉積法在其表面再生長(zhǎng)一層厚度為 5-30μm 的碳化硅，成為碳化硅外延；晶圓制造：通過(guò)涂膠、顯影、光刻、減薄、退火、摻雜、刻蝕、氧化等前道工藝實(shí) 現(xiàn)碳化硅器件的結(jié)構(gòu)與功能；封裝：將晶圓進(jìn)行檢測(cè)、減薄并進(jìn)行封裝，完成裸芯片的電氣連接和外殼保護(hù)后得到分立器件或者功率模塊，并在封裝完成后出廠前對(duì)每顆器件進(jìn)行測(cè)試。

若從成本占比角度去看，碳化硅總體價(jià)格高昂的主要原因在于：1、襯底價(jià)格較貴，在總體晶圓成本中占比可達(dá) 30%，參考自有襯底的 Wolfspeed 和部分襯底外采的 STM，襯底價(jià)格在 400~600 美元/片；2、前段工藝（晶圓制造）良率損失較大；3、此外，外延良率損失和效率同樣對(duì)碳化硅總體價(jià)格帶來(lái)了一定影響。因此，產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)于碳化硅降本提質(zhì)的關(guān)鍵主要落于襯底制備的效率和良率（另一個(gè)角度而言擴(kuò)大規(guī)模也是降價(jià)的一個(gè)方向），以及前段工藝的效率和良率（效率包括平面與溝槽等器件結(jié)構(gòu)問(wèn)題）。

碳化硅襯底：效率與產(chǎn)能是降本關(guān)鍵

基于上文，我們可以較為直觀地發(fā)現(xiàn)制約碳化硅應(yīng)用落地的主要原因是襯底的總體價(jià)格較高，導(dǎo)致碳化硅器件的價(jià)格相比硅基器件往往高出數(shù)倍。由于物理的特性，碳化硅材料擁有很高的硬度，目前僅次于金剛石，因此在生產(chǎn)上勢(shì)必要在高溫與高壓的條件下才能生產(chǎn)，一般而言，需要在 2500℃以上高溫（硅晶僅需在 1500℃）。目前制備碳化硅單晶的方法有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）和液相法（LPE）。物理氣相傳輸法（PVT）是較為的碳化硅晶棒生長(zhǎng)方法，其原理是在超過(guò) 2500℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為硅基原子、硅基 2C 分子和碳化硅 2 分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，這些氣相物質(zhì)將被輸運(yùn)到溫度較低的碳化硅籽晶上形成 4H 型碳化硅晶體，通過(guò)控制 PVT 的溫場(chǎng)、氣流等工藝參數(shù)可以生長(zhǎng)特定的 4H-碳化硅晶型。

以PVT法為例，碳化硅晶體制備面臨以下困難：1、溫場(chǎng)控制困難、生產(chǎn)速度緩慢：以目前的主流制備方法物理氣相傳輸法（PVT）為例，碳化硅晶棒需要在 2500℃高溫下進(jìn)行生產(chǎn)，而硅晶只需1500℃，因此需要特殊的單晶爐，且在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長(zhǎng)溫度，控制難度極大。碳化硅晶棒厚度每小時(shí)生長(zhǎng)速度視尺寸大小約為0.2~1mm/小時(shí)，而硅晶棒可達(dá)每小時(shí) 1~10mm/小時(shí)；生產(chǎn)周期方面，碳化硅晶棒約需要7至10天，長(zhǎng)度約 2cm，產(chǎn)出效率相比硅晶棒顯著較慢，較低的生產(chǎn)效率是碳化硅襯底供不應(yīng)求、價(jià)格高昂的核心原因；

2、良品參數(shù)要求高，黑匣子良率難以及時(shí)控制：碳化硅晶片的核心參數(shù)包括微管密度、位錯(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等，在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長(zhǎng)、同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。以多型為例，碳化硅存在 200 多種晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，其中六方結(jié)構(gòu)的 4H 型（4H-碳化硅）等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu) 的單晶型碳化硅才是所需的半導(dǎo)體材料，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶體不合格；而在石墨坩堝的黑盒子中無(wú)法即時(shí)觀察晶體生長(zhǎng)狀況，需要非常精確的熱場(chǎng)控制、材料匹配及經(jīng)驗(yàn)累積。

3、晶體擴(kuò)徑難度大：氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長(zhǎng)的擴(kuò)徑技術(shù)難度極大，隨著晶體尺寸的擴(kuò)大，其生長(zhǎng)難度工藝呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。這導(dǎo)致目前碳化硅晶圓主要是 4 吋與 6 吋，而用于功率器件的硅晶圓以 8 吋為主，這意味著碳化硅單晶片所產(chǎn)芯片數(shù)量較少、碳化硅芯片制造成本較高。

此外，除了碳化硅晶體生長(zhǎng)外，后端工藝流程仍面臨較大困難：切割難度大：碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大，工藝水平的提高需要長(zhǎng)期的研發(fā)積累，也需要上游設(shè)備商特殊設(shè)備的配套開(kāi)發(fā)。目前碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié)、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片，其中往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)用于加工碳化硅單晶的方法，轉(zhuǎn)彎半徑受限，切縫較寬，出片率較低，不適用于碳化硅晶體切割。磨料切片的切縫寬度一般為 180~250μm，亦即不考慮研磨，僅切割損耗便接近襯底成片厚度（350μm）的 50%~70%，是導(dǎo)致晶錠出片數(shù)較低的原因之一。

研磨拋損耗大：碳化硅性質(zhì)偏硬、脆，斷裂韌性較低，在研磨拋過(guò)程中易開(kāi)裂或留下?lián)p傷，這要求在切割襯底的時(shí)候需要預(yù)留更多的研磨拋損耗，這進(jìn)一步降低了晶錠的出片率，同時(shí)也影響了整體的生產(chǎn)良率。目前較為主流的研磨方式為自旋轉(zhuǎn) 磨削，晶片自旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，主軸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)砂輪向下進(jìn)給，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 研磨過(guò)程。自旋轉(zhuǎn)磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪易隨加工時(shí)間增加而鈍化，使用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷。而碳化硅襯底的拋光工藝可分為粗拋和精拋，粗拋為機(jī)械拋光，主要用于去除研磨后襯底表面的損傷、進(jìn)行平坦化處理，目前較為主流的是使用化學(xué)機(jī)械拋光。外延工藝效率低：碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在 1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問(wèn)題，溫度不能太高，一般不能超過(guò) 1800℃，因而生長(zhǎng)速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

基于以上技術(shù)難點(diǎn)，高成本、缺陷密度（良率）、晶圓尺寸和晶圓供給是襯底生產(chǎn)的核心壁壘，而碳化硅襯底黑匣子的生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)企業(yè)工藝技術(shù)的積累和配套設(shè)備的研發(fā)能力將成為企業(yè)技術(shù)壁壘的重要構(gòu)成。由于進(jìn)入襯底行業(yè)需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累和產(chǎn)線適配，而國(guó)際碳化硅龍頭企業(yè)起步較早，產(chǎn)業(yè)發(fā)展已較為成熟，目前碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)全球獨(dú)大的特點(diǎn)。導(dǎo)電型碳化硅襯底市場(chǎng)的主要供應(yīng)商有美國(guó) Wolfspeed、美國(guó) II-VI 等，據(jù) Yole，預(yù)計(jì) 2021 年 Wolfspeed 的導(dǎo)電型碳化硅襯底占據(jù)整個(gè)市場(chǎng) 48.65%的份額，其次為 II-VI、SiCrystal （Rohm），三者合計(jì)占據(jù)高達(dá) 80%的市場(chǎng)份額，我國(guó)企業(yè)如天科合達(dá)、山東天岳分別占 8.70%、0.13%，整體占比仍然較低。

若我們回顧過(guò)去數(shù)據(jù)，實(shí)際上過(guò)去市場(chǎng)認(rèn)為牢不可破的 Wolfspeed 主導(dǎo)的格局已然開(kāi)始松動(dòng)，其市場(chǎng)份額在 2020 年仍超 60%，而天科合達(dá)當(dāng)年僅占 6.27%，隨著全球新能源車(chē)需求爆發(fā)帶來(lái)的供不應(yīng)求和我國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè) 鏈的快速成長(zhǎng)，Wolfspeed 市場(chǎng)份額快速下降，而 SK siltron、天科合達(dá)等后發(fā)者的市場(chǎng)份額也實(shí)現(xiàn)了顯著提升。當(dāng)前，我國(guó)主要碳化硅襯底企業(yè)已進(jìn)入快速追趕階段，雖然工藝、良率、參數(shù)控制等方面相比海外廠商仍有一定差距，但隨著我國(guó)新能源市場(chǎng)和碳化硅襯底上下游產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，未來(lái)我國(guó)碳化硅襯底核心企業(yè)有望加速實(shí)現(xiàn)規(guī)?！夹g(shù)→規(guī)模的正循環(huán)。

除了產(chǎn)出效率和缺陷控制外，擴(kuò)徑是碳化硅襯底下一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。目前導(dǎo)電型碳化硅襯底以 6 吋為主，8 吋襯底處于逐步商業(yè)化的階段，尺寸的擴(kuò)大對(duì)于碳化硅而言降本意義顯著。8 吋理論產(chǎn)出效率是 6 吋的 1.8~1.9 倍（面積為 1.78 倍），據(jù) Wolfspeed， 32mm2 的裸芯片可切割數(shù)量可以從 6 吋的 448 顆提升至 8 吋的 845 顆；分別假設(shè)良率為 80%、60%，有效產(chǎn)出顆數(shù)分別為 358、507 顆，若假設(shè)單車(chē)使用同樣規(guī)格的芯片 54 顆（48 顆主逆+6 顆 OBC），則一片晶圓理論可供 6.6、9.4 臺(tái)車(chē)，效率提升顯著。由于國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)起步較晚，從以往碳化硅襯底量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)來(lái)看，國(guó)際上 4 吋碳化硅襯底量產(chǎn)時(shí)間比國(guó)內(nèi)早 10 年左右，而 6 吋拉近了差距，量產(chǎn)時(shí)間差大約在 7 年左右。不過(guò) 隨著產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式鋪開(kāi)，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資熱潮，有望帶動(dòng)國(guó)內(nèi)碳化硅襯底加速追趕國(guó)際領(lǐng)先水平。

Cree（WolfSpeed）早在 2015 年宣布成功研發(fā) 8 吋碳化硅襯底；2019 年首批樣品制備；2022 年 4 月啟用全球首個(gè) 8 吋碳化硅晶圓廠，預(yù)計(jì)年底量產(chǎn)發(fā)貨，2024 年達(dá)產(chǎn)。意法半導(dǎo)體（ST）于 2021 年 6 月瑞典北雪平工廠成功制造出世界首批量產(chǎn) 8 吋碳化硅晶圓片。將投資數(shù)億歐元，在意大利的卡塔尼亞建立新基地，生產(chǎn) Norstel 研發(fā)的 8 吋碳化硅襯底，目標(biāo)是到 2024 年實(shí)現(xiàn) 40%碳化硅襯底的自主供應(yīng)。8 吋碳化硅量產(chǎn)加速，節(jié)點(diǎn)提前至 2023 年。II-VI 半導(dǎo)體于 2015 年 7 月展示了 8 吋導(dǎo)電型碳化硅襯底，2019 年推出 8 吋半絕緣碳化硅襯底，2021 年 4 月，II-VI 表示，未來(lái) 5 年內(nèi)，將碳化硅襯底的生產(chǎn)能力提高 5 至 10 倍，8 吋碳化硅量產(chǎn)時(shí)間預(yù)計(jì)為 2024 年。羅姆作為最早一批展示 8 吋碳化硅襯底的廠商之一，將原定于 2025 年量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，提前至 2023 年。

國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)度：爍科晶體于 2022 年 3 月成功研制 8 吋碳化硅晶體，中科院物理所 2022 年 4 月成功研制出了單一 4H 晶型的 8 吋碳化硅晶體，其晶體直徑達(dá) 210mm，晶坯厚度接近 19.6mm。此外，還加工出了厚度約 2mm 的 8 吋碳化硅晶片。晶盛機(jī)電 2022 年 8 月成功研發(fā)出 8 吋導(dǎo)電型碳化硅晶體，此次研發(fā)成功的 8 吋碳化硅晶體，厚度 25mm，直徑 214mm。天岳先進(jìn)于 2022 年 9 月宣布 8 吋碳化硅襯底研發(fā)成功，全流程技術(shù)自主可控。南砂晶圓聯(lián)合山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于 2022 年 9 月攻關(guān)完成了 8 吋 4H-碳化硅晶型襯底的制備。同光半導(dǎo)體 2022 年 10 月成功研發(fā) 8 吋碳化硅襯底，預(yù)計(jì) 2023 年小規(guī)模量產(chǎn)。天科合達(dá)于 2022 年 11 月發(fā)布了 8 吋導(dǎo)電型 4H 晶型碳化硅，微管密度＜0.1/cm2，位錯(cuò)密度 EPD＜4000/cm2 ,TSD 能達(dá)到 100/cm2 以下。

在市場(chǎng)需求快速爆發(fā)的背景下，國(guó)內(nèi)企業(yè)一方面加快對(duì)技術(shù)差距的追趕，另一方面也在積極投入大量資源進(jìn)行產(chǎn)線的建設(shè)來(lái)滿足市場(chǎng)需求和提供技術(shù)迭代的產(chǎn)業(yè)土壤，如天科合達(dá)、山東天岳等頭部廠商持續(xù)加大投入進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)。據(jù) Trendforce，2022 年我國(guó)碳化硅襯底（N 型+HP 硅基，折合 6 吋）年產(chǎn)能可達(dá) 43.2 萬(wàn)片/年，到 2026 年有望提升至 265 萬(wàn)片/年，CAGR 達(dá) 57%。

碳化硅晶圓：技術(shù)、客戶與產(chǎn)能構(gòu)筑的長(zhǎng)效壁壘

襯底以外，晶圓工藝難度高、良率低是碳化硅器件價(jià)格高昂的另一個(gè)重要原因。相對(duì)于硅器件，碳化硅芯片制造在工藝上有著更加嚴(yán)苛的要求。首先需要通過(guò)高能注入并采用高溫退火工藝來(lái)解決晶格擴(kuò)散的難題；其次是要通過(guò)高溫氧化工藝提高氧化速率,抑制碳生物量；而碳化硅透明、硬、脆的特質(zhì),也大大增加了設(shè)備傳送、取片、千刻、挖槽、甩干、減薄等環(huán)節(jié)的工藝難度，從而導(dǎo)致碳化硅芯片長(zhǎng)期處于生產(chǎn)效率低、碎片率高、難以量產(chǎn)的局面。除了技術(shù)門(mén)檻外，若需要把一條 150mm 的硅制造生產(chǎn)線轉(zhuǎn)化為碳化硅生產(chǎn)線，費(fèi)用大約為 2000 萬(wàn)美元，資金投入也是碳化硅晶圓建設(shè)的難點(diǎn)之一。

目前，除了接近碳化硅晶圓制造中的工藝問(wèn)題外，設(shè)計(jì)和工藝高度耦合的器件結(jié)構(gòu)—— 平面與溝槽，也同樣是產(chǎn)業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的方向。由于平面柵碳化硅 MOSFET 結(jié)構(gòu)的溝道形成于晶面上溝道遷移率較低，同時(shí)結(jié)構(gòu)還存在 FET 區(qū)域，導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻很難得到進(jìn)一步降低，為此,業(yè)界開(kāi)發(fā)了溝槽型碳化硅 MOSFET 結(jié)構(gòu)(TMOSFET)。溝槽 MOSFET 是通過(guò)在溝槽側(cè)壁形成溝道，這樣不僅可以提高溝道遷移率，還能消除 JFET 區(qū)域，實(shí)現(xiàn)降低器件導(dǎo)通電阻的目的。

然而，溝槽柵工藝不僅對(duì)工藝實(shí)現(xiàn)要求非常高，在可靠性方面也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。首先，由于溝槽刻蝕后表面粗精度和角度的限制使得溝槽柵的柵氧質(zhì)量存在風(fēng)險(xiǎn)；其次，由于碳化硅的各向異性，溝槽側(cè)壁的氧化層厚度和溝槽底部的氧化層厚虛不同，因此必須采用特珠的結(jié)構(gòu)和工藝來(lái)避免溝槽底部特別是拐角部分的擊穿，這也增加了溝槽柵氧可靠性的不確定性；最后，溝槽 MOSFET 的結(jié)構(gòu)使得溝槽柵氧的電場(chǎng)強(qiáng)度要高于平面型。目前，業(yè)界正在努力解決溝槽型碳化硅 MOSFET 刻蝕之后側(cè)溝道的表面問(wèn)題，需要通過(guò)更好的設(shè)備和優(yōu)化深溝槽刻蝕工藝，以有效降低表面粗穩(wěn)度，消除刻蝕形貌中的微溝槽效應(yīng)。由于碳化硅襯底通常非常堅(jiān)硬,想要獲得均勻、光滑的蝕刻表面，對(duì)工藝難度和控制的要求非常高。

類(lèi)似襯底，一方面是高企的技術(shù)壁壘、客戶壁壘和專(zhuān)利壁壘，一方面是快速爆發(fā)的碳化硅市場(chǎng)需求，碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模在快速擴(kuò)大的同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈。據(jù) Yole，2019 年全球碳化硅器件主要供應(yīng)商的收入合計(jì)規(guī)模為 6.53 億美元，預(yù)計(jì)至 2021 年可達(dá) 11.91 億美元。其中特斯拉的核心供應(yīng)商 STM 穩(wěn)守龍一地位，整體市場(chǎng)份額達(dá) 37.8%。在 2022 年四季度業(yè)績(jī)說(shuō)明會(huì)上，STM 表示 2022 年公司已實(shí)現(xiàn) 7 億美元的碳化硅收入，并提到目前公司有 115 個(gè)碳化硅項(xiàng)目，分布在 80 個(gè)客戶，其中汽車(chē)客戶占比約為 60%，預(yù)計(jì) 2023 年收入達(dá)到 10 億美元量級(jí)，2019~2023E 復(fù)合增速高達(dá) 48.61%。除了 STM 以外，英飛凌的進(jìn)展同樣迅猛，市場(chǎng)份額自 2019年的9.95%快速提升至2021E的20.81%，已超越 Wolfspeed 和 Rohm 成為全球第二大碳化硅器件供應(yīng)商。

相比襯底，碳化硅器件部分目前國(guó)內(nèi)暫時(shí)未能進(jìn)入全球核心廠商名錄，但國(guó)內(nèi)企業(yè)已陸續(xù)完成了核心產(chǎn)品的研發(fā)，部分已完成了車(chē)規(guī)認(rèn)證乃至已在 OBC 上實(shí)現(xiàn)了上車(chē)，未來(lái)隨著我國(guó)碳化硅器件廠商技術(shù)的不斷迭代和產(chǎn)能的持續(xù)擴(kuò)張，我們認(rèn)為有望能看到具備核心技術(shù)、優(yōu)質(zhì)客戶支持、充足資金的頭部企業(yè)實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的快速擴(kuò)張。

設(shè)備與材料：不可忽視的技術(shù)與資本開(kāi)支盛宴

在設(shè)備環(huán)節(jié)，碳化硅晶圓和器件的制備基本工藝流程同硅基半導(dǎo)體基本一致，大部分工藝段設(shè)備可以與硅基半導(dǎo)體工藝兼容，但由于碳化硅熔點(diǎn)較高、硬度較大、熱導(dǎo)率較高、鍵能較強(qiáng)的特殊性質(zhì)，使得部分工藝段需要使用專(zhuān)用設(shè)備、部分需要在硅設(shè)備基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。碳化硅器件制備過(guò)程中相對(duì)特殊的設(shè)備或要求：需使用分步投影光刻機(jī)、專(zhuān)用的碳化硅外延爐、高溫離子注入機(jī)、高溫退火和高溫氧化設(shè)備；干法刻蝕設(shè)備需更高的刻蝕功率；器件封裝過(guò)程中的減薄機(jī)需針對(duì)碳化硅材料脆硬特性改進(jìn)；劃片機(jī)需針對(duì)碳化硅導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)使用激光隱形劃切方法。目前，國(guó)內(nèi)具備部分碳化硅設(shè)備研發(fā)制造能力的企業(yè)主要為中電科、北方華創(chuàng)、中微公司、大族激光、拓荊科技、宇晶股份、快克股份、智立方等。

在模塊封裝環(huán)節(jié)，作為各種芯片(IGBT 芯片、Diode 芯片、電阻、碳化硅芯片等)的承載體，基板通過(guò)表面覆銅層完成芯片部分連接極或者連接面的連接的同時(shí)與散熱基板相連，最終把整個(gè)模塊的熱量散發(fā)出去，因此對(duì)于模塊的散熱結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)基板的選擇尤為重要，目前主流的功率半導(dǎo)體模塊封裝主要是用 DBC（直接鍵合銅）陶瓷基板。隨著車(chē)用等市場(chǎng)的爆發(fā)，碳化硅功率模塊的應(yīng)用逐漸成熟，AMB 逐漸成為電力電子模塊封裝的新趨勢(shì)。AMB 是在 DBC 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，相比于傳統(tǒng)的 DBC 基板，采用 AMB 工藝制備的陶瓷基板，不僅具有更高的熱導(dǎo)率、更好的銅層結(jié)合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢(shì)。目前，由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對(duì)于焊接的可靠性影響較大，只有日本幾家公司掌握了高可靠活性金屬焊接技術(shù)，AMB 高可靠技術(shù) 目前仍主要掌握在日本廠商手中，國(guó)內(nèi)具備一定 AMB 研發(fā)生產(chǎn)能力的企業(yè)主要為上海申和熱磁、博敏電子。