矽是目前制造晶片和半導體器件最廣泛的原材料，90% 以上的半導體産品是以矽為原材料制成的。然而受材料本身特性的限制，矽基功率器件已經漸漸難以滿足 5G 基站、新能源車及高鐵等新興應用對器件高功率及高頻性能的需求。
碳化矽是第三代半導體材料，作為寬禁帶半導體材料的一種，與矽的主要差别在禁帶寬度上，這讓同性能的碳化矽器件尺寸縮小到矽基的十分之一，能量損失減少了四分之三，成為制備高壓及高頻器件新的襯底材料。碳化矽器件具備廣闊的應用領域和市場空間，2019 年全球碳化矽功率器件市場規模為 5.41 億美元，預計 2025 年将增長至 25.62 億美元，年化複合增速約 30%。
本期内參來源：東興證券
原标題：
《碳化矽産業：已處于爆發前夜，有望引領中國半導體進入黃金時代》
作者：吳昊 陳宇哲 吳天元
01. 碳化矽，第三代半導體材料
第三代半導體材料又稱寬禁帶半導體材料，和傳統矽材料主要的差別在禁帶寬度上。禁帶寬度是判斷一種半導體材料擊穿電壓高低的重要名額，禁帶寬度數值越大，則該種材料制成器件的耐高壓能力越強。以碳化矽為代表的第三代半導體材料往往具備更寬的禁帶寬度，是以也被稱為寬禁帶半導體材料（大于 2.3eV）。
由于氮化镓在材料制備環節仍有技術難度，目前具備大規模量産條件的可用于制備功率器件的第三代半導體材料僅有碳化矽。根據天科合達招股書資料，4H 型碳化矽的禁帶寬度為 3.2eV，是矽材料禁帶寬度 1.1eV 的約 3 倍，這使得其擊穿電場強度達到了矽的約 7 倍，非常适合用來制備功率器件。
▲ 常見半導體襯底材料性能對比
除了更耐高壓，碳化矽基功率器件在開關頻率、散熱能力和損耗等名額上也遠好于矽基器件。除了禁帶寬度更寬，碳化矽材料還具有更高的飽和電子遷移速度、更高的熱導率和更低的導通阻抗，碳化矽器件相比于矽基器件的優勢展現在：
1、 阻抗更低，可以縮小産品體積，提高轉換效率；
2、 頻率更高，碳化矽器件的工作頻率可達矽基器件的 10 倍，而且效率不随着頻率的升高而降低，可以降低能量損耗；
3、 能在更高的溫度下運作，同時冷卻系統可以做的更簡單。碳化矽功率器件工作溫度可達 600℃以上，是同等矽器件的 4 倍，可以承受更加極端的工作環境。
碳化矽材料能夠把器件體積做的越來越小，能量密度越來越大，這也是為什麼幾乎全球的半導體巨頭都在不斷研發碳化矽器件的原因。根據 ROHM 的資料，一款 5kW 的 LLC DC/DC 轉換器，其電源控制闆由碳化矽替代矽基器件後，重量從 7kg 減少到 0.9kg，體積從 8755cc 降低到 1350cc。
碳化矽器件尺寸僅為同規格矽器件的 1/10，碳化矽 MOSFET 系統能量損失小于矽基 IGBT 的 1/4，這些優勢也能夠為終端産品帶來顯著的性能提升。根據 CREE 的資料，相同的電池下搭載了碳化矽 MOSFET 的電動車比使用矽基 IGBT 的電動車續航裡程增加了 5%~10%。
▲ 同規格碳化矽器件性能優于矽器件
碳化矽襯底依電阻率不同分為導電型和半絕緣型兩類，分别外延沉積碳化矽和氮化镓後，用于功率器件和射頻器件的制作。
1、 導電型襯底：具有低電阻率（15~30mΩ・cm）的碳化矽襯底。通過在導電型碳化矽襯底上生長碳化矽外延層，制得碳化矽同質外延片，可進一步制成肖特基二極管、MOSFET、IGBT 等功率器件。
2、 半絕緣型襯底：具有高電阻率（≥105Ω・cm）的碳化矽襯底。通過在半絕緣型碳化矽襯底上生長氮化镓外延層，制得碳化矽基氮化镓外延片，可進一步制成微波射頻器件。
▲ 碳化矽器件産業鍊
優異的性能使得碳化矽材料應用領域廣闊，目前主流的器件種類為功率器件（碳化矽基碳化矽）和射頻器件（碳化矽基氮化镓），可以說需要高壓和高頻器件的應用場景，都是碳化矽潛在替代的市場。尤其是對電力轉換需求頻繁、使用條件苛刻及對子產品體積和重量等有要求的場景，碳化矽器件優勢明顯：
1、 功率器件（電力電子領域）
應用一：電動車逆變器及充電樁。電動車逆變器是碳化矽功率器件最為主要的市場，在相同功率下，碳化矽子產品封裝尺寸更小，損耗更低。在動力電池性能提升已經有限的情況下，碳化矽功率器件将成為提升電動車延長行駛裡程、縮短充電時間及增大電池容量的重要手段。
國内外知名車企也在積極推動碳化矽器件的應用。特斯拉是全球第一家将碳化矽 MOSFET 應用于商用車主逆變器的廠商，Model 3 的主逆變器采用了意法半導體生産的 24 個碳化矽 MOSFET 功率子產品。随後國内廠商比亞迪也迅速跟進，在漢 EV 上搭載了自主研發的碳化矽功率子產品。未來随着碳化矽材料成本的不斷下降，未來将有更多車型使用碳化矽器件。碳化矽器件也可應用于新能源汽車 充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。
應用二：光伏逆變器。光伏發電系統中，矽基逆變器成本占系統的 10%，但卻是系統能量損耗的主要來源。使用碳化矽 MOSFET 功率子產品的光伏逆變器，轉換效率可從 96% 提升至 99% 以上，能量損耗降低 50% 以上，裝置循環壽命提升 50 倍，進而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生産成本。
應用三：軌道交通。軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件，其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化矽器件的需求。其中牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備，碳化矽器件的應用可以提高牽引變流器裝置效率，提升系統整體效能。2014 年，日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機 3300V/1500A 全碳化矽功率子產品逆變器，開關損耗降低 55%、體積和重量減少 65%，電能損耗降低 20% 至 36%。
▲ 光伏逆變器中碳化矽滲透率有望在 2025 年達到 50%
▲ 軌道交通中碳化矽滲透率将在 2050 年達到 90%
碳化矽使功率器件突破了傳統矽基器件性能的上限，未來具備廣闊的市場空間。根據 Yole 報告，2019 年全球碳化矽功率器件市場規模為 5.41 億美元，預計 2025 年将增長至 25.62 億美元，年化複合增速約 30%。
▲ 2019-2025 年碳化矽功率器件市場規模将快速增長（機關：美元）
2、射頻器件（軍工及通訊領域）
射頻器件是無線通信的核心部件，包括射頻開關、LNA、功率放大器和濾波器等。其中功率放大器是對信号進行放大的器件，直接影響着基站信号傳輸距離及信号品質。矽基 LDMOS 器件已經應用多年，但主要應用于 4GHz 以下的低頻領域。
5G 通訊高頻、高速和高功率的特點對功率放大器性能也提出了更高的要求，碳化矽基氮化镓具有良好的導熱性能、高頻率、高功率等優勢，成為 5G 移動通訊系統、新一代有源相控陣雷達等系統的核心射頻器件，有望替代矽基 LDMOS。根據 Yole 的預測，2025 年功率在 3W 以上的射頻器件中，砷化镓器件市場佔有率保持不變，碳化矽基氮化镓将替代大部分矽基 LDMOS，占市場 50% 左右的份額。
▲ 不同材料射頻器件應用範圍對比
▲ 不同類型射頻器件市場佔有率預測（功率 3W 以上）
根據 Yole 的報告，預計全球氮化镓射頻器件市場規模将持續增長，預計從 2019 年的 7.4 億美元增長至 2025 年的 20 億美元，年化複合增速達 18%。半絕緣型碳化矽襯底需求有望受益。
▲ 2019-2025 年氮化镓射頻器件市場規模将持續增長（機關：美元）
02. 技術難度高，海外巨頭統治市場
碳化矽與矽基器件的原理相似，但碳化矽無論是材料還是器件的制造難度，都顯著高于傳統矽基。其中大部分的難度都是碳化矽材料高熔點和高硬度所需特殊工藝帶來的。碳化矽器件的生産環節主要包括襯底制備、外延和器件制造封測三大步驟。各步驟中難度和價值量最高的是襯底制備環節，而襯底制備環節中晶體生長是最困難的步驟。
碳化矽襯底的主要制備工序為，将高純的碳化矽粉在特殊溫度下，采用實體氣相傳輸法（PVT）生長不同尺寸的碳化矽晶錠，再經過切割、研磨等多道工序産出碳化矽襯底。
▲ 碳化矽襯底制備流程
碳化矽晶體生長難度高，工藝是核心。碳化矽性能有明顯優勢，卻始終未能轉換成市場規模，最主要的原因是碳化矽襯底制造困難。
與傳統的單晶矽使用提拉法制備不同，碳化矽材料因為一般條件下無法液相生長，隻能使用氣相生長的方法，如實體氣相傳輸法（PVT）。這也就帶來了碳化矽晶體制備的兩個難點：
1、 生長條件苛刻，需要在高溫下進行。一般而言，碳化矽氣相生長溫度在 2300℃以上，壓力 350MPa，而矽僅需 1600℃左右。高溫對裝置和工藝控制帶來了極高的要求，生産過程幾乎是黑箱操作難以觀測。如果溫度和壓力控制稍有失誤，則會導緻生長數天的産品失敗。
2、 生長速度慢。PVT 法生長碳化矽的速度緩慢，7 天才能生長 2cm 左右。而矽棒拉晶 2-3 天即可拉出約 2m 長的 8 英寸矽棒。
同時碳化矽材料本身的特性也讓晶體生長難度較高，帶來了另外兩個難點：
3、 材料晶型多樣。碳化矽有超過 200 種相似的晶型，需要精确的材料配比、熱場控制和經驗積累，才能在高溫下制備出無缺陷、皆為 4H 晶型的可用碳化矽襯底（其他晶型不可用）。
4、 材料硬度大，後加工困難。碳化矽是硬度僅次于金剛石的材料，晶棒後續的切片、研磨、抛光等工藝的加工難度也顯著增加。
在上述技術難點的影響下，能夠穩定量産大尺寸碳化矽襯底的企業較少，這也使得碳化矽器件成本較高。
▲ 襯底制備各環節流程及難點
碳化矽器件制造必須要經過外延步驟，外延品質對器件性能影響很大。碳化矽基器件與傳統的矽器件不同，碳化矽襯底的品質和表面特性不能滿足直接制造器件的要求，是以在制造大功率和高壓高頻器件時，不能直接在碳化矽襯底上制作器件，而必須在單晶襯底上額外沉積一層高品質的外延材料，并在外延層上制造各類器件。是以外延的品質對器件性能的影響非常大。
外延的品質又受到襯底品質的影響。在外延過程中産生的缺陷，很多都是從襯底中直接複制來的，是以襯底的品質和加工水準對于外延的缺陷控制也十分關鍵。
碳化矽材料外延主要是要控制外延的厚度和摻雜濃度兩個參數。器件依據不同的設計，所需的外延參數也不同。一般而言，外延的厚度越大，器件能夠承受的電壓也就越高。但外延層厚度越大，高品質外延片的制備就越困難，尤其是在高壓領域，對缺陷的控制是非常大的挑戰。
▲ 外延層厚度越大，額定電壓越高
碳化矽功率器件制造原理與傳統矽基相似，但因為材料性質的改變，所需裝置和技術難度有增加。碳化矽産業鍊大部分難點在襯底生長環節，不過在器件制造過程中的難度也有所增加，主要展現在部分工藝需要在高溫下完成：
1、 摻雜步驟中，傳統矽基材料可以用擴散的方式完成摻雜，但由于碳化矽擴散溫度遠高于矽，無法使用擴散工藝，隻能采用高溫離子注入的方式；
2、 高溫離子注入後，材料原本的晶格結構被破壞，需要用高溫退火工藝進行修複。碳化矽退火溫度高達 1600℃，這對裝置和工藝控制都帶來了極大的挑戰。
3、碳化矽器件工作溫度可達 600℃以上，組成子產品的其他材料，如絕緣材料、焊料、電極材料、外殼等也無法與矽基器件通用；
4、器件的引出電極材料也需要同時保證耐高溫和低接觸電阻，大部分材料難以同時滿足兩條要求。
功率器件的穩定性和工藝成熟度十分重要，上述以“高溫”為核心的難點構築了較強的技術壁壘。上述工藝不成熟會導緻碳化矽功率器件存在缺陷，進而影響其長期工作的可靠性。是以目前全球絕大部分器件制造産能仍掌握在具備襯底技術的巨頭（科銳公司、羅姆公司）及具備較多功率半導體制造經驗的 IDM 廠商（英飛淩、意法半導體等）手中。
碳化矽器件的産業鍊主要由上遊襯底材料及外延、中遊器件制造和下遊應用，以及各環節所用裝置構成。目前産業的參與者主要以兩類海外廠商為主：
傳統功率半導體龍頭：英飛淩（歐洲）、意法半導體（歐洲）、三菱電機（日本）、安森美（美國）、瑞薩電子（日本）、羅姆（日本）等。這些公司憑借着在矽基功率器件制造中積累的經驗，提前布局碳化矽器件的制造。目前這些廠商是碳化矽功率器件制造的主力。
具備光電子和光通信材料技術的公司：CREE（科銳，美國）、道康甯（美國）、II-VI（貳陸公司，美國）、昭和電工（日本）等。化合物半導體材料在光電子和光通信領域有着廣泛的應用，這些公司依靠着在材料領域積累的優勢，從材料端切入了碳化矽産業鍊，并基本實作從襯底到外延的連續布局。
其中，科銳和羅姆兩家廠商已經具備了從材料端到器件生産端的全流程覆寫，具備産業鍊中最強的實力。其他廠商大多專注于其中的 1~2 個環節。
近年來，國内廠商追趕進度明顯，産業鍊布局完善，各個環節也都出現了大量的國内參與者：
襯底環節：天科合達、山東天嶽和同光晶體等，已經實作 4 英寸襯底商業化，逐漸向 6 英寸發展；
外延環節：瀚天天成、東莞天域等；
器件環節：泰科天潤、華潤微、基本半導體等。
其中三安內建、世紀金光等也成功實作了産業鍊貫通，進行了全流程布局。
▲ 碳化矽器件産業鍊各環節主要參與者
03. 碳化矽：中國半導體新機遇
從碳化矽本身來看，其對傳統矽基功率器件的替代是順應時代和科技趨勢的必然。下遊需求的熱點已經逐漸從智能手機和 4G 為代表的移動網際網路時代，轉向智能汽車和 5G 為代表的的物聯網時代，在新的時代背景下，功率器件大放異彩的機會已經來臨。
碳化矽器件的爆發離不開下遊需求的持續擴張，終端廠商正積極導入。碳化矽材料和器件的優異性能市場早有認識，但是近幾年才逐漸形成産業規模，除了因為技術的成熟外，下遊應用端對更高性能器件有着迫切的需求，也促使各下遊積極驗證和導入碳化矽産品。
産業鍊各環節産能增長，但供給仍然不足。據 CASA 資料顯示，SiC 電力電子方面，SiC 導電型襯底折算 4 英寸産能約為 40 萬片/年，SiC-on-SiC 外延片（表示在碳化矽襯底上沉積碳化矽）折算 6 英寸産能約為 22 萬片/年，SiC-on-SiC 器件/子產品（4/6 英寸相容）産能約 26 萬片/年。
微波射頻方面，SiC 半絕緣襯底折算 4 英寸産能約為 18 萬片/年。2020 年，新能源汽車、快充、5G 等下遊應用市場增長超預期，國内現有産品商業化供給無法滿足市場需求，SiC 電力電子和射頻存在較大缺口。
供需錯配下，供給端已成為碳化矽重要的制約因素，技術優勢帶來的穩定産能将是重要的競争力。在旺盛的需求下，具備量産能力的廠商大都會受到市場的青睐和認可，尚無須憂慮産業出現充分的競争，是以企業加強自身的研發和技術攻關，制造出高性能、高良率和可靠性的産品是目前的第一要義，更大的産能儲備将是最為重要的競争力。
▲ 2020 年我國第三代半導體産能統計
碳化矽器件具備足夠多的優勢，但價格相較于傳統矽基器件仍然偏高。從襯底角度來看，受碳化矽生長速度較慢的影響，一片 6 寸的碳化矽晶圓價格在 1000 美元以上，是同尺寸矽晶圓價格的 20 倍以上。是以襯底占據了碳化矽器件近一半的成本。是以碳化矽價格下降的幅度也會顯著影響碳化矽器件替代的速度。
▲ 襯底占碳化矽器件成本的近一半
但是，碳化矽器件與傳統産品價差正在持續縮小。第三代半導體産業技術創新戰略聯盟表示，2020 年受疫情影響産品交期有所延長，但碳化矽器件的價格有所下降：
SiC SBD 實際成交價與矽器件價差已經縮小至 2~2.5 倍之間。根據 Mouser 的公開報價，650V 的 SiCSBD 2020 年底的平均價格是 1.58 元 / A，較 2019 年底下降了 13.2%。1200V 的 SiC SBD 的平均價是 3.83 元 / A，較 2019 年下降了 8.6%。據 CASA 調研，實際成交價低于公開報價，基本約為公開報價的 60%-70%，較上年下降了 20%-30%，實際成交價與 Si 器件價差已經縮小至 2-2.5 倍之間。
SiC MOSFET 降價明顯，與矽器件價差收窄到 2.5~3 倍之間。根據 Mouser 的公開報價，650V、900V、1200V、1700V 的 SiC MOSFET 在 2020 年底的平均價格分别同比下降了 13%、2%、27.62%、33.4%。而從實際成交價格來看，650V、1200V 的 SiC MOSFET 價格較 2019 年下降幅度達 30%-40%，與 Si 器件價差也縮小至 2.5~3 倍之間。
價格下降幅度會顯著提高碳化矽器件的替代速度，進而反向刺激需求，形成正向循環。目前碳化矽器件價格已經下降到高端新能源車型可以接受的程度，随着晶圓尺寸做大和良率不斷提升，未來仍有降本空間，碳化矽功率器件有望逐漸向中低端車型滲透。
國内半導體廠商在積極發揮自身優勢，大力布局第三代半導體行業。第三代半導體對我國而言意義非凡，是中國大陸半導體（尤其是功率和射頻器件）追趕的極佳突破口。碳化矽器件的意義不僅在于其本身的優異性能，其更是會對産業帶來全方位的帶動，碳化矽有望引領中國半導體進入黃金時代：
1、 在第三代半導體追趕的路上，中國企業受到的阻礙将小于傳統矽基領域。在傳統的矽基半導體領域，技術進步已經明顯放緩，發達國家依靠着數十年的研發和布局，積累了足夠多的專利，并掌控着上遊關鍵材料和裝置的技術和供應鍊，占據着對中國半導體進行制裁、發動科技戰的主動權。在産業配套全面落後的情況下，中國在矽基半導體領域的替代程序緩慢。
而在第三代半導體産業中，中國企業與海外龍頭的差距已經明顯縮小，發達國家可以用來制裁和控制中國第三代半導體發展的手段和技術也十分有限，中國企業正迎來追趕和發展的良機。
2、 産業鍊的配套整合更加充分，為中國半導體企業帶來以往不具備的發展機會。以往國内半導體廠商追趕困難另一個原因是沒有足夠多的試用和上線機會，難以用客戶的回報和問題來正向激勵研發。目前來看第三代半導體器件主要的應用領域如新能源車、光伏和高鐵等，未來的主戰場都集中在中國，國内企業也與國内車企和家電企業等進行了配套和産業合作，國産器件逐漸導入終端産品供應鍊，為國内企業帶來更多試用、改進的機會。
智東西認為，目前，雖然在以 SiC 和 GaN 為代表的寬禁帶半導體材料研究和部署方面，美、日、歐仍處于世界領先地位。由于其未來戰略意義，我國早已對寬禁帶半導體材料器件研發進行針對性規劃和布局，但是近些年的發展似乎差強人意，究其根本，主要原因是高制造成本和低技術成熟度。現在，随着國内企業的技術不斷發展和成本的不斷下降，中國的第三代半導體材料有望最先實作國産替代。