碳化硅產(chǎn)業(yè)初長(zhǎng)成

吳新竹

碳化硅屬于具有明確發(fā)展前景的第三代半導(dǎo)體，頭部半導(dǎo)體廠商與汽車、能源廠商的碳化硅合作項(xiàng)目不斷推出，2023年整體碳化硅功率元件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估為22.8億美元。預(yù)計(jì)到2028年，導(dǎo)電型碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到86.9億美元，半絕緣型碳化硅射頻器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到22.9億美元。

從問(wèn)世到初步產(chǎn)業(yè)化，碳化硅在新能源汽車、通訊、工業(yè)及光伏產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用價(jià)值得到驗(yàn)證，海外頭部碳化硅制造商2023財(cái)年業(yè)績(jī)同比顯著改善，紛紛積極擴(kuò)張產(chǎn)能。設(shè)備和襯底的國(guó)內(nèi)廠商近年來(lái)技術(shù)不斷突破，下游國(guó)產(chǎn)器件的產(chǎn)品研發(fā)取得較大進(jìn)展，碳化硅二極管的國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟，MOSFET產(chǎn)業(yè)化加速，產(chǎn)業(yè)鏈6英寸產(chǎn)能將大幅提升，8英寸則成為彎道超車的機(jī)遇。

商業(yè)價(jià)值顯現(xiàn)

第三代半導(dǎo)體是指化合物半導(dǎo)體，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵、氧化鋅、氧化鋁以及金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料。

碳化硅的襯底材料根據(jù)電阻率的不同可分為導(dǎo)電型和半絕緣型，導(dǎo)電型碳化硅功率器件需要在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)出碳化硅外延，再進(jìn)一步加工成MOSFET、IGBT等器件，半絕緣型碳化硅基射頻器件通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)出氮化鎵外延，進(jìn)而制成HEMT等射頻器件。通過(guò)在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)同質(zhì)碳化硅外延可制成功率器件，主要應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電等領(lǐng)域，導(dǎo)電型碳化硅器件下游市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中新能源汽車占比70%，充電設(shè)備和光伏占比10%，工業(yè)占比13%。在半絕緣型襯底生長(zhǎng)異質(zhì)氮化鎵外延可制成射頻器件，主要為面向4G、5G通信基站和新一代雷達(dá)的功率放大器。

800V新能源汽車的核心部件在于功率半導(dǎo)體器件。主流的Si-IGBT在450V平臺(tái)下的耐壓值一般為650V，若汽車電氣架構(gòu)升級(jí)到800V，考慮開關(guān)電壓開關(guān)過(guò)載等因素，耐壓等級(jí)需達(dá)到1200V。研究表明，與硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET可使電動(dòng)車?yán)m(xù)航延長(zhǎng)5%-10%，促進(jìn)逆變器線圈、電容小型化、縮減電驅(qū)尺寸、減少電機(jī)鐵損，SiC MOSFET的尺寸、導(dǎo)通電阻和平均能量損耗分別為Si MOSFET的1/10、1/200和1/4。

2023年全球新能源汽車銷量達(dá)到1465.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)35.4%，自2018年起，各品牌新能源汽車的主驅(qū)逐步采用碳化硅方案，整車價(jià)格區(qū)間低至20萬(wàn)元，頭部半導(dǎo)體廠商與汽車、能源廠商的合作項(xiàng)目不斷推出，2023年整體碳化硅功率元件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估為22.8億美元。

碳化硅器件成本是硅器件的3倍左右，是制約行業(yè)快速發(fā)展的核心因素之一，碳化硅目前在產(chǎn)能、成本上尚處劣勢(shì)，未來(lái)有望替代Si-IGBT實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件的升級(jí)換代。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)碳化硅在功率半導(dǎo)體的市占率將穩(wěn)步增加，至2028年將達(dá)到約25%的市場(chǎng)占有率。

碳化硅半導(dǎo)體材料的各類應(yīng)用產(chǎn)品和解決方案層出不窮，在工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域也正繼續(xù)加快滲透應(yīng)用。Yole數(shù)據(jù)顯示，2022年碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模為19.7億美元，其中導(dǎo)電型碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模為17.9億美元，半絕緣型碳化硅射頻器件市場(chǎng)規(guī)模為1.8億美元；預(yù)計(jì)到2028年，導(dǎo)電型碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到86.9億美元，年化增速達(dá)到 30.12%，半絕緣型碳化硅射頻器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到22.9億美元，年化增速達(dá)到52.79%。

國(guó)產(chǎn)化追趕

碳化硅晶體生長(zhǎng)效率緩慢，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。長(zhǎng)晶的難點(diǎn)主要在于高溫環(huán)境下的工藝控制，碳化硅的熔點(diǎn)約為2700度，相比之下硅的熔點(diǎn)僅在1410攝氏度左右，工藝控制難度大，對(duì)設(shè)備以及拉晶工藝提出了極大的挑戰(zhàn)。由于碳化硅硬度與金剛石接近，導(dǎo)致晶棒切割、研磨拋光等后端工藝也面臨較大困難。

平安證券指出，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)碳化硅晶圓廠在4英寸和6英寸碳化硅襯底質(zhì)量上已到國(guó)際先進(jìn)水平，但整體與國(guó)際廠商仍存在技術(shù)代差，8英寸碳化硅襯底蘊(yùn)含著國(guó)內(nèi)廠商實(shí)現(xiàn)彎道超車的機(jī)遇。

2018年，晶盛機(jī)電研發(fā)出6英寸碳化硅晶體生長(zhǎng)爐，2019年研制成功6英寸碳化硅晶體生長(zhǎng)工藝及設(shè)備，2022年又成功研發(fā)出8英寸N型SiC晶體，解決了8英寸碳化硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中溫場(chǎng)不均、晶體開裂、氣相原料分布等難點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)還破解了碳化硅器件成本中襯底占比過(guò)高的難題，為大尺寸碳化硅襯底廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。該公司生產(chǎn)的SICEP系列碳化硅外延爐兼容4吋和6吋碳化硅外延生長(zhǎng)，為單片式設(shè)備，沉積速度、厚度均勻性及濃度均勻性等技術(shù)指標(biāo)已到達(dá)先進(jìn)水平。

天岳先進(jìn)開發(fā)了多塊拼接多線切割技術(shù)，解決了相鄰碳化硅晶體之間切割質(zhì)量差的難題，一批次可實(shí)現(xiàn)多塊晶體的切割；設(shè)計(jì)了晶體切削液配方，大幅度降低了切割片的表面損傷；開發(fā)了一整套多線切割工藝，每項(xiàng)參數(shù)均計(jì)算出最優(yōu)的工藝曲線，提高了切割片的面型質(zhì)量。

設(shè)備和襯底廠商不斷突破的同時(shí)，下游的器件制造近年來(lái)亦取得較大進(jìn)展。

揚(yáng)杰科技于2022年上半年開發(fā)出650V 2A-40A、1200V 2A-40A的SiC SBD產(chǎn)品，1200V 40mohm的SiC MOSFET 產(chǎn)品于第四季度推出。斯達(dá)半導(dǎo)應(yīng)用于乘用車主控制器的車規(guī)級(jí)SiC MOSFET模塊自2022年起開始大批量裝車應(yīng)用，并新增多個(gè)使用車規(guī)級(jí)SiC MOSFET模塊的800V系統(tǒng)的主電機(jī)控制器項(xiàng)目定點(diǎn)，將對(duì)公司2024-2030年主控制器用車規(guī)級(jí)SiC MOSFET模塊銷售增長(zhǎng)提供持續(xù)推動(dòng)力。士蘭明鎵基于SiC-MOSFET的電動(dòng)汽車主驅(qū)功率模塊已通過(guò)國(guó)內(nèi)多家客戶的質(zhì)量認(rèn)定，與國(guó)際大廠的量產(chǎn)水平相當(dāng)，并已接獲批量訂單開始陸續(xù)交付。

產(chǎn)能擴(kuò)張

意法半導(dǎo)體、英飛凌、Wolfspeed、安森美是全球頭部碳化硅功率器件制造商，2023年，意法半導(dǎo)體旗下碳化硅產(chǎn)品營(yíng)收達(dá)到了11.4億美元，較上年同期增長(zhǎng)超60%，預(yù)計(jì)2024年碳化硅收入將達(dá)到15-16億美元，其碳化硅產(chǎn)品主要由位于意大利和新加坡的晶圓廠生產(chǎn)，該公司將繼續(xù)提高卡塔尼亞和新加坡工廠的前端設(shè)備產(chǎn)量，并提高摩洛哥和中國(guó)工廠的后端制造能力。

英飛凌2023 財(cái)年碳化硅業(yè)務(wù)收入約5億歐元，預(yù)計(jì)2024財(cái)年?duì)I收規(guī)模將達(dá)到7.5億歐元，未來(lái)5年內(nèi)，英飛凌將再投入50億歐元在原有馬來(lái)西亞碳化硅工廠擴(kuò)建二期產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2027年建成，主要生產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓。Wolfspeed 2023財(cái)年實(shí)現(xiàn)營(yíng)收9.22億美元，較上年增長(zhǎng)19%，其投資50億美元的美國(guó)碳化硅制造中心將于2024年底竣工，用于制造200mm碳化硅晶圓。

安森美在韓國(guó)碳化硅工廠2023年擴(kuò)建完工，2023年安森美碳化硅出貨量超過(guò)8億美元，收入同比增長(zhǎng)4倍，其8英寸晶圓將在2024年獲得入場(chǎng)認(rèn)證，并于2025年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能爬坡及收入增長(zhǎng)。安森美認(rèn)為，未來(lái)5-10年碳化硅市場(chǎng)還會(huì)比較緊缺，不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩的情況。

天岳先進(jìn)2023年度營(yíng)業(yè)收入同比增長(zhǎng)199.9%，凈利潤(rùn)同比減虧，該公司上海臨港智慧工廠于2023年中開啟產(chǎn)品交付，第一階段30萬(wàn)片的產(chǎn)量目標(biāo)將比原計(jì)劃更早達(dá)成。士蘭明鎵公司正在加快推進(jìn)“SiC功率器件生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目”的建設(shè)。目前，士蘭明鎵公司已具備月產(chǎn)3000片6吋SiC-MOSFET芯片的生產(chǎn)能力，現(xiàn)有產(chǎn)能已滿載，預(yù)計(jì)2024年年底將具備月產(chǎn)1.2萬(wàn)片6吋SiC芯片的產(chǎn)能。華潤(rùn)微碳化硅目前產(chǎn)能達(dá)到2500片/月，碳化硅MOS產(chǎn)品在碳化硅功率器件銷售中的比例提升至50%以上。

有關(guān)碳化硅投資的探討甚至延伸至其他行業(yè)，珠海市生態(tài)環(huán)境局官網(wǎng)顯示，2023年6月，格力電子元器件擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告表獲受理，未來(lái)格力在碳化硅方面的布局有待觀察。

目前，國(guó)產(chǎn)碳化硅二極管產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)完備，能夠穩(wěn)定交付，主要應(yīng)用于在光伏、儲(chǔ)能、直流充電樁模塊、氫燃料電池DC-DC模塊和UPS電源等領(lǐng)域，隨著組件電流的不斷提升，40A、50A 等更大電流的SiC二極管需求也會(huì)越來(lái)越多，對(duì)降本的要求會(huì)進(jìn)一步提高。華泰證券調(diào)研指出，設(shè)備廠商反饋8英寸下訂、提貨節(jié)奏明顯加快，預(yù)計(jì)2024年8英寸或?qū)?shí)現(xiàn)1到10的突破。