碳化硅商业化进程加速

吴新竹

碳化硅SiC属于第三代化合物半导体，与硅基材料相比具有宽禁带、高临界击穿场强、高热导率等特征。在大部分厂商完成低缺陷密度单晶生长工艺及厚单晶生长工艺研发后，碳化硅衬底的单位面积价格会降低，凸显出经济性。碳化硅器件市场包括功率器件与射频器件，前者主要用于汽车、工业与能源领域，后者主要用于5G建设。业内预测，2022年全球SiC器件市场规模为43亿美元，随着碳化硅器件在电力、射频等领域的渗透率提升，预计到2026年市场规模将增长至89亿美元，对应年复合增长率为19.9%。

业内预计52%的SiC器件将会应用在汽车领域，碳化硅器件对新能源汽车性能的提升尤为显著，海外厂商逐渐意识到SiC需求的增长，纷纷开始大规模扩产。国内半导体分立器件厂商已开发出相关产品，得到客户不同程度的认可，陆续实现批量出货。

中国第三代半导体器件主要应用于工业及商业电源、消费类电源、光伏逆变器、不间断电源UPS、新能源汽车和工业电机等。其中，光伏逆变器中SiC的渗透率逐年提高，目前规模达到6.8亿元，2020年光伏逆变器中使用碳化硅功率器件的占比为10%，光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件，可提高转换效率、降低能量损耗、提升设备循环寿命。研究机构预计2025年碳化硅光伏逆变器占比将达到50%。

Yole数据显示，到2027年，SiC车规级市场规模有望达到49.8亿美元，电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件主要包括主逆变器、车载充电系统OBC、车载DC/DC转换器，其中约80%的市场规模来自于主逆变器，17%来自于OBC。碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。DC/DC转换器的作用是将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电，为动力推进、空气调节等不同系统提供不同的电压。使用SiC器件可降低功率转换损耗，减少散热需求，车载充电器和充电桩使用SiC器件能缩短充电时间。

研究表明，汽车电池充电机采用SiC MOSFET可在系统层面降低15%-20%的物料成本，对于400V系统，相同充电速度下，SiC的充电量可较硅基材料翻倍;与硅基材料相比，SiC車载充电器的体积缩小60%，器件热量和能量损失都更少。将纯电动汽车逆变器中的功率组件改成SiC可显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，SiC器件整体损耗相比硅基器件降低80%以上，导通及开关损耗减小，有助于增加电动车的续航里程5%-10%。此外，电池节省的成本超过了碳化硅逆变器增加的成本，据测算，采用800V高压SiC平台的系统成本比400V Si IGBT平台节省高达6%。

据统计，2018年，国际上有20多家汽车厂商已经在车载充电器中使用SiC肖特基二极管或SiC MOSFET。例如，特斯拉Model 3的逆变器采用了意法半导体生产的全SiC功率模块，该功率模块包含两个采用创新芯片贴装解决方案的SiC MOSFET，并通过铜基板实现散热。安信证券认为，目前在高续航和快充的市场需求下，新能源汽车由400V向800V架构升级趋势已成大局，未来随着电池、器件车成本的降低，经济型电动车也有望搭载高压方案。

SiC产业链包括上游衬底和外延环节、中游器件和模块制造环节，以及下游的应用环节，衬底价值量占比46%，由SiC粉经过长晶、加工、切割、研磨、抛光、清洗环节最终形成;外延价值量占比23%，外延是在衬底上生长一层单晶薄膜，导电型SiC衬底用于SiC外延，用于生产电动汽车以及新能源等领域所需的功率器件，半绝缘型SiC衬底用于氮化镓外延，用于生产5G通信等领域的射频器件。

SiC衬底量产产品尺寸主要集中在4英寸及6英寸，衬底尺寸越大，边缘的浪费就越小，且单位衬底可制造的芯片数量越多，所以单位芯片成本越低，大尺寸有利于降低成本。但随着晶体尺寸的扩大，制备工艺的难度呈几何级增长。Wolfspeed研发的8英寸衬底已于2022年4月投产，其他厂商尚处在研发阶段。伴随大直径衬底占比不断提高，衬底单位面积成本下降，单晶可用厚度在不断增加。伴随衬底结晶缺陷密度下降的同时，工艺复杂程度增加，在大部分衬底提供商完成低缺陷密度单晶生长工艺及厚单晶生长工艺研发后，衬底单位面积价格会降低。

特斯拉Model 3的SiC MOSFET只用在主驱逆变器电力模块上，共含48颗SiC MOSFET，对应单车消耗约0.25片6英寸SiC衬底。浙商证券预测，如果未来SiC器件的延伸用包括OBC、DC/DC转换器、高压辅驱控制器、主驱控制器等，那么单车SiC器件的使用量将达到100-150颗，SiC器件的市场需求将进一步扩大;如果2025年SiC在新能源车的渗透率达到60%，那么，对6英寸SiC衬底年需求将达到587万片，市场空间达231亿元。

器件方面，2021年，意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、罗姆和安森美在碳化硅功率器件市场的占有率分别为40%、22%、14%、10%与7%，射频器件领域的头部企业为日本住友、Wolfspeed与Qorvo，分别占据40%、24%与20%的市场份额。海外厂商逐渐意识到SiC市场需求的增长，纷纷开始大规模扩产。

据报道，贰陆公司计划自2020-2025年将6寸晶圆产能扩张5-10倍，并计划于2024年量产8英寸衬底，该公司不久前与Coherent合并后更名为Coherent。安森美自2019年起在位于罗兹诺夫的抛光和外延片生产基础上，增加了SiC抛光晶圆和外延晶圆生产，目前对罗兹诺夫基地的投资已超过1.5亿美元，并计划在2023年之前追加投资3亿美元。

Wolfspeed于2019年推出了5年扩产30倍的计划，宣布投资10亿美元分别在北卡罗来纳州和纽约州建造车规级8英寸功率及射频衬底制造工厂，将碳化硅晶圆制造能力提高30倍，2023年计划扩产至约10万片6英寸产能;2022年9月，Wolfspeed再次宣布扩产，将在2024年之前把达勒姆园区的现有碳化硅产能提升超10倍，主要生产8英寸碳化硅衬底。罗姆半导体计划到2025年使碳化硅功率半导体的产能增加至2021年时的6倍，扩产到30万-40万片;此外，东芝、三菱电机、富士电机、日立等日本厂商以及韩国的SK Siltron亦纷纷加快碳化硅产业链布局。

碳化硅导电型衬底主要被Wolfspeed、贰陆公司与罗姆垄断，三者市占率接近90%;半绝缘型衬底厂商主要有Wolfspeed、贰陆公司与天岳先进。天岳先进近日对投资者表示，已将济南工厂的部分设备从生产半绝缘型产品向生产导电型产品转换，正在建设的临港工厂以导电型产品为主。

中信证券指出，晶体生长需要在苛刻环境下，通过精准控制环境参数，在多种晶型中选择并长出目标晶型，过程缓慢且不可监测，这对工艺和设备稳定性都提出了很高要求，经验累积时间长。晶盛机电于2017年起涉足碳化硅领域，相继研发出4英寸、6英寸第一代、6英寸第二代及6英寸第三代晶体生长设备、核心晶体加工设备及配套工艺，并通过自有籽晶经过多轮扩径，成功生长出8英寸N型碳化硅晶体。科威尔的SiC动态测试机已经完成研发，并在多个客户进入试用送样阶段。

器件厂商的国产碳化硅商业化进程则更快一些，华润微第二代碳化硅二极管1200V、650V平台已系列化三十余颗产品，在充电桩、光伏逆变、工业电源等领域实现批量供货，碳化硅MOSFET第一代产品已在650V、1200V、1700V多个平台系列化多颗产品，预计2022年下半年进入批量供应。扬杰科技开发出的650V 2A-40A、1200V 2A-40A碳化硅肖特基二极管已批量出货，SiC 1200V 80mohm系列产品已经实现量产，1200V 40mohm产品也将在2022年第四季度推出。时代电气开发了750V-3300V的SiC器件，批量应用于机车、动车、城轨、柔性输电等领域。斯达半导应用于乘用车主控制器的车规级SiC MOSFET模块开始大批量装车应用，该公司新增多个使用该模块的主电机控制器800V系统项目，推动销售增长。

其他厂商的碳化硅产品也陆续推出，例如新洁能已推出1200V60mohmSiC MOSFET样品，预计2022年下半年向客户送样测试，并将1200V17mohm、1200V32mohm、1200V75mohm等SiC MOSFET系列产品推向市场，主要目标市场是光伏逆变器和汽车厂商。东微半导初步获得新能源车载充电机应用客户的批量订单，部分车载电子客户已经使用该公司开发的并联SiC二极管高速系列TGBT产品，实现对SiC MOSFET的替代。