“  鏟除困難，再飛一次！“AfQesmc

作為衛(wèi)星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車等領域的重要材料，第三代半導體碳化硅成為了半導體材料里一條方興未艾的賽道。AfQesmc

上升中的碳化硅市場

經歷了2020年的反彈和汽車（尤其是電動汽車）、能源和動力終端用戶細分市場的強勁消費推動，碳化硅市場將在2021年反彈。據(jù)Yole預測，2019-2025全球碳化硅市場將會以30%的復合增長率增長，市場規(guī)模預計從2020年的5.4億美元的增長至25億美元。AfQesmc

2020 年歐美市場的份額約為 44%，這得益于美國和加拿大市場不斷增長的汽車和醫(yī)療行業(yè)投資。歐洲以27%的收入份額位列第二，亞太地區(qū)以21%的份額緊隨其后。隨著電源碳化硅模塊在電動汽車市場的重要性日益提高，以及全球各國為新能源汽車投資數(shù)十億美元，市場對電源碳化硅的需求將繼續(xù)增加。尤其在亞太地區(qū)，汽車業(yè)的增長率將高于其他地區(qū)，預計到2026年，其收入份額將達到25%。AfQesmc

碳化硅晶片市場也主要是由歐美日主導，其中美國企業(yè)Wolfspeed（原Cree）在2020年上半年的碳化硅市場占比超過45%，加上其他主要廠商如II-VI、Si-Crystal后，碳化硅晶片市場已經被幾大企業(yè)占據(jù)了88%的市場份額。Cree/Wolfspeed 和Si-Crystal等襯底供應商與英飛凌和 ST半導體等已經簽署了多年供應協(xié)議。AfQesmc

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在襯底環(huán)節(jié)，我國碳化硅襯底項目已有將近30家，其中中電科半導體材料公司旗下的山西爍科晶體有限公司碳化硅產業(yè)基地一期的300臺單晶生產設備，具備年產7.5萬片碳化硅單晶襯底的產能；天科合達擁有一個研發(fā)中心和一個集晶體生長-晶體加工-晶片加工-清洗檢測的全套碳化硅晶片生產基地；2019年獲華為股份投資的山東天岳在今年九月科創(chuàng)板IPO獲批。根據(jù)上圖資料，天科合達和山東天岳在2020年上半年的市場占有率分別為有5.3%和2.6%。AfQesmc

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據(jù)芯謀研究分析，我國在外延、器件設計上技術差距與國外并不大，但在器件制造上，國內產線距離大規(guī)模穩(wěn)定量產仍有距離。AfQesmc

不過國內半導體廠商也在碳化硅產業(yè)鏈上的各個環(huán)節(jié)上開始追趕，北方華創(chuàng)、中微、華峰測控等半導體設備廠商均為碳化硅材料投入研發(fā)，北方華創(chuàng)現(xiàn)已具備大尺寸、導電/高純半絕緣型、粉料合成/晶體生長/晶錠熱處理等多種技術路線的10余種設備機型，以滿足碳化硅制造的需求。AfQesmc

SiC市場的驅動因素

以硅為襯底制造的功率MOSFET和IGBT在高于990V的電壓下工作時，轉換效率，開關頻率，工作溫度都成為了限制功率提高的因素。而相對于硅來說，碳化硅材料有著3倍的禁帶寬度、3.3倍的熱導率、2.5倍的電子飽和遷移速率和10倍的擊穿電場。因此碳化硅在高溫、高壓、高頻、大功率的環(huán)境下有著獨一無二的優(yōu)勢。AfQesmc

自從2017年特斯拉在主逆變器中使用碳化硅后，汽車領域成為驅動碳化硅市場迅速生長的最主要因素，2020年用于汽車市場的碳化硅份額為24%。功率碳化硅晶圓應用可減少汽車中傳導損耗和開關損耗，為此汽車行業(yè)為電動汽車生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展投入了超過 3000 億美元。Yole預計汽車市場將在2026年占據(jù)碳化硅市場的60%以上。AfQesmc

電機驅動器是第二大細分市場，收入份額為11%。碳化硅能夠創(chuàng)造近乎完美的高壓二極管，其速度和功率處理功能為變頻電機驅動器開辟了新的應用。預計到2026年，電力碳化硅市場規(guī)模將達到184億美元，2021-2026年復合年均增長率為8.5%。碳化硅的解決方案正在進入多種電源市場，包括電機、消費類電子產品、能源和電力、醫(yī)療等。推動電力市場增長的關鍵因素是電力電子需求的增長，以及發(fā)展中國家采用基于碳化硅的光伏電池的數(shù)量激增。AfQesmc

SiC成本居高不下

雖然碳化硅市場持續(xù)景氣，但其相對傳統(tǒng)硅器件仍面臨著高成本的問題，這也成為限制碳化硅市場發(fā)展的最大因素。而影響碳化硅成本的主要原因是碳化硅相關技術尚處在技術周期的上升階段，導致在各個環(huán)節(jié)成本較高。AfQesmc

技術層面上講，從碳化硅晶體的獲得到晶片的制造以及最后器件的加工中，有許多環(huán)節(jié)的技術仍需提高。碳化硅晶體獲得的難點在于，碳化硅晶體的生長對環(huán)境條件要求高，碳化硅會在2500°C的溫度升華，再從氣相生長為高純度的碳化硅晶體，而硅在1400°C左右就可以融化；在把碳化物注入硅的時候，會產生缺陷密度，這又大大降低了產品的良率。AfQesmc

早期流程檢測有助于提高良率，因此檢測與分析設備在提高產量中意義重大，英飛凌工程師Thomas Aichinger 表示：“為了使碳化硅MOSFET與硅一樣可靠，必須在加工過程中最大限度地降低柵極氧化層缺陷密度，并實施智能篩選技術來識別和消除潛在的不良器件，”在流程早期檢測缺陷同時了解缺陷產生原因，這有益于改進流程從而根本上消除缺陷。AfQesmc

高通量檢測主要用于檢測各類缺陷，如晶體堆疊故障、微管、凹坑、劃痕、污漬和表面顆粒。但碳化硅的透明度和反射率使高通量檢測難度加大。器件級的柵極氧化可以通過瞬態(tài)介質擊穿技術（time-dependent dielectric breakdown，TDDB) 進行檢測。但目前的檢測工作吞吐量仍舊較低、復雜性較高，針對碳化硅產品的檢測工具相對原始，檢測成本也相對較高。AfQesmc

此外，碳化硅是世界上硬度第三的復合材料，這意味著碳化硅的切割、拋光都變得很困難。目前碳化硅器件中，碳化硅襯底就占了成本的50%～70%，這是導致了碳化硅器件的高成本很大一部分原因。AfQesmc

同時，隨著業(yè)界在努力發(fā)展200mm碳化硅晶圓的生產，更大尺寸的晶圓的技術難點在于必須保證與150mm碳化硅晶圓相同或更低缺陷密度和在面積增大的同時穩(wěn)定晶圓的均勻程度。200mm的碳化硅晶圓在2015年首次出現(xiàn)，但至今仍未成為成熟的商業(yè)產品。由于碳化硅器件多用于關鍵的安全應用，如汽車領域，這對器件的穩(wěn)定性、安全性、可靠性等要求極高。在良率無法提高的情況下，即使提高量產，也不能降低成本。AfQesmc

另外，OEM正在追求對碳化硅領域的垂直整合，這將會讓他們擁有了更高的議價權，而成本的壓力也因此轉嫁到了一級、二級的供應商上。解決來自OEM的壓力，還是需要在制造環(huán)節(jié)的廠商們通過攻克技術難點，提高良率從而降低成本。AfQesmc

SiC發(fā)展勢在必行

雖然成本高，但碳化硅的高擊穿電壓、高功率、高開關速度和小尺寸、高帶寬讓碳化硅成為電子電力市場最有競爭力的材料。英飛凌的高級總監(jiān)Robert Hermann表示，這種組合是目前降低汽車主逆變器和車載充電衍生系統(tǒng)的成本最佳解決方案。AfQesmc

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不同技術的優(yōu)勢，圖源：英飛凌AfQesmc

除了包含車用功率器件在內還有工業(yè)機電、智能電網(wǎng)、消費電子等應用的電力電子領域，碳化硅的下游市場還包括以激光顯示、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康等應用為代表的光電子領域；以及雷達、遙感、衛(wèi)星通訊為代表的微波射頻領域。AfQesmc

也正是這樣的前景，碳化硅正在吸引多個大廠通過并購進入這一市場，8 月，onsemi 宣布以4.15億美元收購碳化硅(SiC) 晶體生長技術和襯底制造商 GT Advanced Technologies；2019年意法半導體以1.375億美元收購了NorstelAB 55%的股份；科銳也在2019年宣布投資12億美元建設200mm的碳化硅晶圓廠。AfQesmc

而在這條初升賽道上，國內廠商正在奮力追趕。今年七月華為關聯(lián)的投資機構深圳哈勃科技合伙企業(yè)已經投資了東莞天域、山東天岳、天科合達、瀚天天成等四家碳化硅相關企業(yè)；據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，我國從事碳化硅襯底研制的企業(yè)已經有30家，近年來這些企業(yè)的規(guī)劃投資總額超過300億，規(guī)劃產能超過180萬片/年。AfQesmc

今年“十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要”提出：我國將加速推動以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體新材料新技術產業(yè)化進程。我國是全球最大的新能源汽車市場，同時我國提出“碳中和”目標也意味著新能源汽車在未來有著更加廣闊的上升空間。AfQesmc

在市場與政策的雙重刺激下，國產半導體廠商需要以技術為矛，在碳化硅市場突出重圍。AfQesmc