碳化硅商業(yè)化進程加速

吳新竹

碳化硅SiC屬于第三代化合物半導體，與硅基材料相比具有寬禁帶、高臨界擊穿場強、高熱導率等特征。在大部分廠商完成低缺陷密度單晶生長工藝及厚單晶生長工藝研發(fā)后，碳化硅襯底的單位面積價格會降低，凸顯出經(jīng)濟性。碳化硅器件市場包括功率器件與射頻器件，前者主要用于汽車、工業(yè)與能源領域，后者主要用于5G建設。業(yè)內(nèi)預測，2022年全球SiC器件市場規(guī)模為43億美元，隨著碳化硅器件在電力、射頻等領域的滲透率提升，預計到2026年市場規(guī)模將增長至89億美元，對應年復合增長率為19.9%。

業(yè)內(nèi)預計52%的SiC器件將會應用在汽車領域，碳化硅器件對新能源汽車性能的提升尤為顯著，海外廠商逐漸意識到SiC需求的增長，紛紛開始大規(guī)模擴產(chǎn)。國內(nèi)半導體分立器件廠商已開發(fā)出相關產(chǎn)品，得到客戶不同程度的認可，陸續(xù)實現(xiàn)批量出貨。

中國第三代半導體器件主要應用于工業(yè)及商業(yè)電源、消費類電源、光伏逆變器、不間斷電源UPS、新能源汽車和工業(yè)電機等。其中，光伏逆變器中SiC的滲透率逐年提高，目前規(guī)模達到6.8億元，2020年光伏逆變器中使用碳化硅功率器件的占比為10%，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件，可提高轉(zhuǎn)換效率、降低能量損耗、提升設備循環(huán)壽命。研究機構(gòu)預計2025年碳化硅光伏逆變器占比將達到50%。

Yole數(shù)據(jù)顯示，到2027年，SiC車規(guī)級市場規(guī)模有望達到49.8億美元，電動汽車系統(tǒng)涉及功率半導體應用的組件主要包括主逆變器、車載充電系統(tǒng)OBC、車載DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中約80%的市場規(guī)模來自于主逆變器，17%來自于OBC。碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長。DC/DC轉(zhuǎn)換器的作用是將動力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，為動力推進、空氣調(diào)節(jié)等不同系統(tǒng)提供不同的電壓。使用SiC器件可降低功率轉(zhuǎn)換損耗，減少散熱需求，車載充電器和充電樁使用SiC器件能縮短充電時間。

研究表明，汽車電池充電機采用SiC MOSFET可在系統(tǒng)層面降低15%-20%的物料成本，對于400V系統(tǒng)，相同充電速度下，SiC的充電量可較硅基材料翻倍;與硅基材料相比，SiC車載充電器的體積縮小60%，器件熱量和能量損失都更少。將純電動汽車逆變器中的功率組件改成SiC可顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，SiC器件整體損耗相比硅基器件降低80%以上，導通及開關損耗減小，有助于增加電動車的續(xù)航里程5%-10%。此外，電池節(jié)省的成本超過了碳化硅逆變器增加的成本，據(jù)測算，采用800V高壓SiC平臺的系統(tǒng)成本比400V Si IGBT平臺節(jié)省高達6%。

據(jù)統(tǒng)計，2018年，國際上有20多家汽車廠商已經(jīng)在車載充電器中使用SiC肖特基二極管或SiC MOSFET。例如，特斯拉Model 3的逆變器采用了意法半導體生產(chǎn)的全SiC功率模塊，該功率模塊包含兩個采用創(chuàng)新芯片貼裝解決方案的SiC MOSFET，并通過銅基板實現(xiàn)散熱。安信證券認為，目前在高續(xù)航和快充的市場需求下，新能源汽車由400V向800V架構(gòu)升級趨勢已成大局，未來隨著電池、器件車成本的降低，經(jīng)濟型電動車也有望搭載高壓方案。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈包括上游襯底和外延環(huán)節(jié)、中游器件和模塊制造環(huán)節(jié)，以及下游的應用環(huán)節(jié)，襯底價值量占比46%，由SiC粉經(jīng)過長晶、加工、切割、研磨、拋光、清洗環(huán)節(jié)最終形成;外延價值量占比23%，外延是在襯底上生長一層單晶薄膜，導電型SiC襯底用于SiC外延，用于生產(chǎn)電動汽車以及新能源等領域所需的功率器件，半絕緣型SiC襯底用于氮化鎵外延，用于生產(chǎn)5G通信等領域的射頻器件。

SiC襯底量產(chǎn)產(chǎn)品尺寸主要集中在4英寸及6英寸，襯底尺寸越大，邊緣的浪費就越小，且單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，所以單位芯片成本越低，大尺寸有利于降低成本。但隨著晶體尺寸的擴大，制備工藝的難度呈幾何級增長。Wolfspeed研發(fā)的8英寸襯底已于2022年4月投產(chǎn)，其他廠商尚處在研發(fā)階段。伴隨大直徑襯底占比不斷提高，襯底單位面積成本下降，單晶可用厚度在不斷增加。伴隨襯底結(jié)晶缺陷密度下降的同時，工藝復雜程度增加，在大部分襯底提供商完成低缺陷密度單晶生長工藝及厚單晶生長工藝研發(fā)后，襯底單位面積價格會降低。

特斯拉Model 3的SiC MOSFET只用在主驅(qū)逆變器電力模塊上，共含48顆SiC MOSFET，對應單車消耗約0.25片6英寸SiC襯底。浙商證券預測，如果未來SiC器件的延伸用包括OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器、高壓輔驅(qū)控制器、主驅(qū)控制器等，那么單車SiC器件的使用量將達到100-150顆，SiC器件的市場需求將進一步擴大;如果2025年SiC在新能源車的滲透率達到60%，那么，對6英寸SiC襯底年需求將達到587萬片，市場空間達231億元。

器件方面，2021年，意法半導體、英飛凌、Wolfspeed、羅姆和安森美在碳化硅功率器件市場的占有率分別為40%、22%、14%、10%與7%，射頻器件領域的頭部企業(yè)為日本住友、Wolfspeed與Qorvo，分別占據(jù)40%、24%與20%的市場份額。海外廠商逐漸意識到SiC市場需求的增長，紛紛開始大規(guī)模擴產(chǎn)。

據(jù)報道，貳陸公司計劃自2020-2025年將6寸晶圓產(chǎn)能擴張5-10倍，并計劃于2024年量產(chǎn)8英寸襯底，該公司不久前與Coherent合并后更名為Coherent。安森美自2019年起在位于羅茲諾夫的拋光和外延片生產(chǎn)基礎上，增加了SiC拋光晶圓和外延晶圓生產(chǎn)，目前對羅茲諾夫基地的投資已超過1.5億美元，并計劃在2023年之前追加投資3億美元。

Wolfspeed于2019年推出了5年擴產(chǎn)30倍的計劃，宣布投資10億美元分別在北卡羅來納州和紐約州建造車規(guī)級8英寸功率及射頻襯底制造工廠，將碳化硅晶圓制造能力提高30倍，2023年計劃擴產(chǎn)至約10萬片6英寸產(chǎn)能;2022年9月，Wolfspeed再次宣布擴產(chǎn)，將在2024年之前把達勒姆園區(qū)的現(xiàn)有碳化硅產(chǎn)能提升超10倍，主要生產(chǎn)8英寸碳化硅襯底。羅姆半導體計劃到2025年使碳化硅功率半導體的產(chǎn)能增加至2021年時的6倍，擴產(chǎn)到30萬-40萬片;此外，東芝、三菱電機、富士電機、日立等日本廠商以及韓國的SK Siltron亦紛紛加快碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈布局。

碳化硅導電型襯底主要被Wolfspeed、貳陸公司與羅姆壟斷，三者市占率接近90%;半絕緣型襯底廠商主要有Wolfspeed、貳陸公司與天岳先進。天岳先進近日對投資者表示，已將濟南工廠的部分設備從生產(chǎn)半絕緣型產(chǎn)品向生產(chǎn)導電型產(chǎn)品轉(zhuǎn)換，正在建設的臨港工廠以導電型產(chǎn)品為主。

中信證券指出，晶體生長需要在苛刻環(huán)境下，通過精準控制環(huán)境參數(shù)，在多種晶型中選擇并長出目標晶型，過程緩慢且不可監(jiān)測，這對工藝和設備穩(wěn)定性都提出了很高要求，經(jīng)驗累積時間長。晶盛機電于2017年起涉足碳化硅領域，相繼研發(fā)出4英寸、6英寸第一代、6英寸第二代及6英寸第三代晶體生長設備、核心晶體加工設備及配套工藝，并通過自有籽晶經(jīng)過多輪擴徑，成功生長出8英寸N型碳化硅晶體?？仆柕腟iC動態(tài)測試機已經(jīng)完成研發(fā)，并在多個客戶進入試用送樣階段。

器件廠商的國產(chǎn)碳化硅商業(yè)化進程則更快一些，華潤微第二代碳化硅二極管1200V、650V平臺已系列化三十余顆產(chǎn)品，在充電樁、光伏逆變、工業(yè)電源等領域?qū)崿F(xiàn)批量供貨，碳化硅MOSFET第一代產(chǎn)品已在650V、1200V、1700V多個平臺系列化多顆產(chǎn)品，預計2022年下半年進入批量供應。揚杰科技開發(fā)出的650V 2A-40A、1200V 2A-40A碳化硅肖特基二極管已批量出貨，SiC 1200V 80mohm系列產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，1200V 40mohm產(chǎn)品也將在2022年第四季度推出。時代電氣開發(fā)了750V-3300V的SiC器件，批量應用于機車、動車、城軌、柔性輸電等領域。斯達半導應用于乘用車主控制器的車規(guī)級SiC MOSFET模塊開始大批量裝車應用，該公司新增多個使用該模塊的主電機控制器800V系統(tǒng)項目，推動銷售增長。

其他廠商的碳化硅產(chǎn)品也陸續(xù)推出，例如新潔能已推出1200V60mohmSiC MOSFET樣品，預計2022年下半年向客戶送樣測試，并將1200V17mohm、1200V32mohm、1200V75mohm等SiC MOSFET系列產(chǎn)品推向市場，主要目標市場是光伏逆變器和汽車廠商。東微半導初步獲得新能源車載充電機應用客戶的批量訂單，部分車載電子客戶已經(jīng)使用該公司開發(fā)的并聯(lián)SiC二極管高速系列TGBT產(chǎn)品，實現(xiàn)對SiC MOSFET的替代。