碳化硅行业研究：同质外延SiC需求广阔掘金百亿高成长赛道.docx

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1、材料是半导体产业发展基石，不断涌现新的材料体系。第一代半导体兴起于20世纪50年代， 是以Si. Ge为代表的单质半导体。其中，硅基半导体材料发展时间长、制备工艺复杂度低、技 术成熟度高，在电子信息、新能源、光伏等领域运用广泛。但是，这类材料带隙较窄、电子迁移 率和击穿电场较低，在光电子领域、高频高功率器件方面应用受到明显限制.第二代半导体兴起 于20世纪90年代，移动通信的飞速发展推动了以碑化钱(GaAs )、睇化锢(InSb )为代表 的化合物半导体材料的发展.这类材料相较第一代半导体材料，更适合制作高速、高频、大功率 以及发光电子器件，在微波通讯、光通讯等领域 有广泛应用。但是，第二代半

2、导体材料存在资源 稀缺、价格高昂、材料本身具有毒性，以及可能造成环境污染等问题，使其在应用上同样具有局 限性。第三代半导体兴起于21世纪，与前两代半导体材料相比，以SiC与GaN为代表的第 三代半导体材料具有更宽的禁带(2.3eV),更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速 率及更高的抗辐射能力.同时，SiC材料更有效克服了资源稀缺、毒性、环境污染等问题，在高 压、高频、高温、高功率等领域具有更强的适用性.图1：三代半导体材料第三代(2KM):三代半导体材料在特定的应用场景中存在各自比较优势。硅基半导体材料由于储量丰富、价格低 的特点，目前是产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半

3、导体产品为硅基，主要应用于 低压、低频、低功率的晶体管和探测器中；碎化钱半导体材料广泛应用于光电子和微电子领域， 是制作半导体发光二极管的关键衬底材料；对于工作频段更高、输出功率要求更高的器件，第三 代半导体是更好的选择，主要应用于5G通信、国防和新能源汽车领域。第三代半导体主要包括 SiU氮化物、氧化物和金刚石等.其中，SiC和GaN是第三代半导体中应用最广的两类材料， 两者工艺最为成熟，且在产业化上推进最快。GaN与SiC这两种宽禁带半导体材料间也存在明显差异.（1 ）二者的适用电压不同因而目标应 用也不同：SiC适用的电压范围为650 V-3.3 kV,是120OV以上的高频器件，同时兼

4、有功率密 度高的特点。因此，SiC在太阳能逆变器、新能源汽车充电、轨道交通、燃料电池中的高速空气 压缩机、DCDC、电动汽车电机驱动、数字化趋势下的数据中心等领域都有着广泛应用.相比SiC, GaN的适用电压范围更低，一般从中压80 V到650 Ve （2）二者在热导率上的较大差异，使 得SiC在高功率应用中几乎占据统治地位：由于SiC的热导率是GaN的近4倍，高热导率有 助于功率器件的散热，在同样的输出功率下可以保持更低的温度，从而有效避免半导体器件在高 温下因出现载流子的本征激发，而导致器件失效。而且，材料更高的热导率会使得器件对散热设 计的要求更低，从而助力设备的小型化。（3 ）高电子迁

5、移率和电子饱和速度让GaN在高频率应 用中更占优：GaN相比Si和SiC更高的电子迁移率和电子饱和速度另其具有更高的开关速度 （可达MHZ级），因而 在开关频率最高的中等功率应用（如快充等）中更具优势。此外，在光 电子领域，GaN在Micro-LED.深紫外LED等热门赛道同样表现优异.当然，SiC和GaN在 应用端各具优势的同时，亦能有效合作：在微波射频领域，通过在半绝缘SiC衬底上外延生长氮 化钱，可以制备SiC基GaN-HEMTe这是现今制造5G基站功率放大器最重要的材料.整体上SiC的商用更加成熟，而GaN市场则处于起步阶段.从2010年IR发布业界第一款 硅基GaN开关器件到现在，业

6、界对GaN的研究已经深入了很多，但真正大规模的应用仍局限 于最近数年。相比GaN市场，从1970年代便开始功率器件的研发，1980年代晶体质量和制 造工艺获得大幅改进，90年代末开始加速发展的SiC市场，运行的时间要长得多，现存器件数量要大得多，也因而更为成熟。根据Yole的测算（转引自新材料在 线），截至2021年，全球 半导体材料市场，GaN的渗透率仅0.17% ,而SiC的渗透率为1.98%.本文的后续研究将聚焦 于SiC行业.SiC产业链全景：衬底技术密集，外延承上启下碳化硅半导体器件生产工序主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装 和终端应用等环节。碳化硅高纯粉料

7、是采用PVT法生长破化硅单晶的原料，其 产品纯度直接影 响破化硅单晶的生长质量以及电学性能。单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基 片。外延是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜的碳化硅片 或者氮化锈外延层。图4：球化硅半导体总件生产工序碳化较粉末（1）衬底环节：PVT法是SiC晶体生长主流方法，且对应的SiC衬底可分为半绝缘 型和导电 型两类。高纯SiC粉体生产主要是在高温下（2000。C以上）反应合成能满足晶体 生长要求的高 纯SiC微粉原料。粉体的纯度将直接影响SiC单晶的生长质量及电学性能。SiC晶体生长方法 主要有物理气相传输法（PVT法）、高温

8、化学气相沉积法（CVD法）、顶 部籽晶溶液生长法（TSSG 法）等0其中，目前大规模产业化中主要采用PVT法.单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材 料和外延生长基片0单晶衬底加工是通过对SiC晶体整形加工、切片加工、晶片研磨、抛光、检 测、清洗等一系列机加工工序，制得透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC衬底的过程。SiC 衬底可分为半绝缘型和导电型两类.半绝缘 型衬底主要通过去除晶体中的各种杂质（尤其是浅能级杂质)，来实现晶体本征高电阻率，而导电型衬底则是通过在晶体生长过程中引入氮元素，来 实现低晶体电阻率。难点上看：生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长，也是破化硅半导体材料应 用的主要

9、技 术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型的环节.影响碳化硅衬底成本的 制约性因素在于生 产速率慢、缺陷控制难度大、产品良率低.硅单晶的生长速度约为300mmh ,碳化硅单晶的生长 速度约为400mh ,两者相差近800倍.举例来说，五六厘米的晶锭形成，需连续稳定生长 200-300小时，碳化硅晶锭制备速率十分缓慢，这使得 晶锭造价高昂。碳化硅单晶在2300。C以 上的密闭腔室内完成“固-气-固”的转化重结晶过程，生产周期长、控制难度大。此外，碳化硅单晶 包括200多种不同晶型，生产过程中单一特定晶型难以稳定控制。图5： PvT法生长碳化硅晶体示意图RF线圈籽晶 长成的晶锭SiC微粉石墨用娟

10、热绝缘体 不锈钢炉体行纥翼与必谈隐(2 )外延环节：外延层厚度影响SiC器件耐压等级，不同外延方式可用于制备不同器件。SiC外 延环节是在SiC衬底上，通过化学气相沉积、液相外延、分子束外延、或升华外延等方法，生长 一层具有特定要求且晶体取向与衬底相同的单晶薄膜的过程。目前大规模生产中主要采用化学气 相沉积法.外延过程可以使表面晶格排列整齐，大幅优化衬底形貌，从而有效减弱晶体生长与加 工中引入的缺陷所造成的不利影响，进而显著提升SiC器件的性能与可靠性。不同外延层厚度对 应不同耐压等级的器件规格，因而对应不同系列的产品。通常，1m对应IOOV左右的耐压。 因此，耐压在600V左右时，需要6m左

11、右的外延层。若耐压高于IooOe)V ,则相应的外延层 厚度也需要在100m以上.通过在半绝缘型SiC衬底上生长GaN外延层，可以制得用于制 备GaN射频器件的SiC基GaN外延片。若在导电型SiC衬底上生长SiC外延层，则可制 得用于制备各类功率器件的SiC外延片。难点上来看：一方面，SiC外延生长的参数要求很高，包括设备密闭性、反应室气压、气体通入 时间、气体配比情况、沉积温度控制等.一方面，厚度、掺杂浓度均匀性作为外延片的核心参数， 在器件耐压等级不断提升下，难度随之大幅提升。随着外延层厚度的增力口，控制厚度和电阻率均 匀性以及缺陷密度的难度越来越大。（3 ）器件环节：器件制造环节以ID

12、M模式最为常见。SiC器件环节主要负责芯片的制造，整体 涉及的流程较长，以集合芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一体的IDM（Integrated Device Manufacture ）模式最为常见。SiC器件封装环节 主要包括芯片固定、引 线封装等步骤用以解决散热和可靠性等问题. SiC功率器件主要包括SiC二极管、SiC开关管、 SiC功率模块等，以直插式（TO ）封装为主.相比上游，SiC下游工艺制程具有更高的包容性和 宽容度。下游制造环节对设备的要求也相对较低，投资额相对较小。（4 ）应用环节：能源转换和射频通讯是下游应用的主要方向。终端应用环节，功能为电力设备电

13、能变换和控制电路的SiC功率器件，包括MOSFET. IGBT,晶闸管、功率二极管、功率三极管 等，主要应用于光伏新能源、轨道交通、智能电网、新能源汽车及充电桩等.功能为无线通信中 的信号转换的SiC射频器件，包括滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等，则主要被 运用于5G通信基站、雷达等。SiC格局：海外占据市场主流，国内龙头快速追赶美欧曰占据全球产业链主要市场，各环节国内快速成长美、欧、日占据全球SiC产业主要市场，国内厂商各环节快速成长.全球SiC市场中，美国一 家独大，占有全球70%-80%的SiC产量，典型公司包括 Wolfspeed（ CREE ）x II -VIx Micr

14、osemi 等.欧洲拥有从衬底、外延、器件到应用的完整SiC产业链，典型公司包括英飞凌（Infineon）、 意法半导体（ST）等.日本在设备与模块开发方面领先，典型公司有罗姆半导体（ROHM ）、三 菱电机（Mitsubishi）,富士电机（FUji）、瑞萨（Renesas ）等。根据Yoie数据（转引自天岳 先进招股说明书），2021年SiC基功率器件市占率约为5% ,行业处于发展早期，格局尚未定 型，国内企业在快速发展中有望做大做强，挑战海外 巨头垄断地位。在衬底环节，国内涌现出天 科合达、天岳先进、同光晶体、山西烁科、东尼电子、南砂晶圆等优秀企业；外延环节，国内厂 商包括东莞天域、瀚天

15、天成等；设计厂商包括飞锂半导体、上海瀚薪等；IDM厂商包括泰科天润、 瞻芯电子、中科汉韵、三安集成、华润微等.国内供应链在各个环节均有布局，有望在巨大需求 拉动下实现快速成长。图9： 201呼全球导电型SiC衬底市场占有率Wolfspeed BIHV陶氏昭和电工 ROHM天科合达其他ST天岳先进衬底环节美国全球领先，行业大踏步迈进扩产步伐衬底方面，Wolfspeed是全球最大SiC衬底生产商，美国占据全球SiC衬底市场最大份额。 美国Wolfspeed因布局较早，衬底良率及产能均全球领先.又由于下游芯片制造商在衬底选择 上的谨慎性，Wolfspeed衬底的市场份额在半绝缘型和导电型两块都领先全

16、球。根据Yole数据（转引自天岳先进招股书），半绝缘型SiC衬底市场方面，2020年，Wolfspeed以33%的市 占率，与II-VI,天岳先进形成三足鼎立的格局，天岳先进市占率为30%导电型SiC衬底市场 方面，2018年，Wolfspeed以62%的市占率领先于其他生产商，国内厂商天科合达市占率为 17%从地域上看，美国占据了全球约76%的SiC衬底的市场份额，远超其他地区市场份额的 总和。从技术方面考虑，由于全球行业龙头企业在碳化硅领域起步较早，因此在破化硅衬底各尺寸量产 推出时间方面，天科合达、天岳先进仍扮演追赶者角色。在4英寸衬底量产时间上，天科合达晚 于龙头企业科锐公司12年，天岳先进晚于科锐公司16年；在6英寸衬底的量产时间上，天 科合达、天岳先进分别晚于科锐公司5年和10年之久；在8英寸衬底方面，两家国内企业 尚不具备量产能力。从产能方面看，全球破化硅半导体市场快