第三代半導(dǎo)體SiC襯底研究：產(chǎn)業(yè)瓶頸亟待突破-國(guó)內(nèi)廠商加速發(fā)展

第三代半導(dǎo)體SiC襯底研究：產(chǎn)業(yè)瓶頸亟待突破_國(guó)內(nèi)廠商加速發(fā)展

1.第三代半導(dǎo)體，SiC襯底性能優(yōu)越

1.1.SiC--新一代電力電子核心材料

碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，在低功耗、小型化、高壓、高頻的應(yīng)用場(chǎng)景有極大優(yōu)勢(shì)。第一代半導(dǎo)體主要有硅和鍺，廣泛應(yīng)用于集成電路等低壓、低頻、低功率場(chǎng)景。但是難以滿足高功率及高頻器件需求。砷化鎵是第二代半導(dǎo)體材料的代表，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的核心材料，但砷化鎵材料的禁帶寬度較小、擊穿電場(chǎng)低且具有毒性，無(wú)法在高溫、高頻、高功率器件領(lǐng)域推廣。第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢(shì)是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件。

碳化硅材料性能優(yōu)越，下游應(yīng)用廣泛。碳化硅制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點(diǎn)，具有開(kāi)關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)，可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積，下游應(yīng)用廣泛。目前碳化硅半導(dǎo)體主要應(yīng)用于以5G通信、國(guó)防軍工、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場(chǎng)前景。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈分為襯底材料制備、外延層生長(zhǎng)、器件制造以及下游應(yīng)用。通常采用物理氣相傳輸法（PVT法）制備碳化硅單晶，再在襯底上使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）等生成外延片，最后制成相關(guān)器件。在SiC器件的產(chǎn)業(yè)鏈中，由于襯底制造工藝難度大，產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量主要集中于上游襯底環(huán)節(jié)。

1.2.碳化硅襯底可分為導(dǎo)電型與半絕緣型

襯底電學(xué)性能決定了下游芯片功能與性能的優(yōu)劣。碳化硅襯底可分為兩類：一類是具有高電阻率（電阻率≥105Ω·cm）的半絕緣型碳化硅襯底，另一類是低電阻率（電阻率區(qū)間為15~30mΩ·cm）的導(dǎo)電型碳化硅襯底。半絕緣型襯底：指電阻率高于105Ω〃cm的碳化硅襯底，主要用于制造氮化鎵微波射頻器件，是無(wú)線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件。導(dǎo)電型襯底：指電阻率在15~30mΩ〃cm的碳化硅襯底。由導(dǎo)電型碳化硅襯底生長(zhǎng)出的碳化硅外延片可進(jìn)一步制成功率器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。

1.3.碳化硅襯底的尺寸演進(jìn)和發(fā)展態(tài)勢(shì)

碳化硅襯底的尺寸（按直徑計(jì)算）主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）等規(guī)格。碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)公司主要量產(chǎn)產(chǎn)品尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備上，以行業(yè)領(lǐng)先者Cree公司的研發(fā)進(jìn)程為例，Cree公司已成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品。

為提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低。襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。

在半絕緣型碳化硅市場(chǎng)，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為4英寸。在導(dǎo)電型碳化硅市場(chǎng)，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為6英寸。在8英寸方面，與硅材料芯片相比，8英寸和6英寸SiC生產(chǎn)的主要差別在高溫工藝上，例如高溫離子注入，高溫氧化，高溫激活等，以及這些高溫工藝所需求的硬掩模工藝等。根據(jù)中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2020-2025年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，4英寸逐步從10萬(wàn)片市場(chǎng)減少到5萬(wàn)片，6英寸晶圓將從8萬(wàn)片增長(zhǎng)到20萬(wàn)片；2025~2030年：4英寸晶圓將逐漸退出市場(chǎng)，6英寸晶圓將增長(zhǎng)至40萬(wàn)片。

2.下游市場(chǎng)多點(diǎn)開(kāi)花，替代硅基材料進(jìn)程加快

由于碳化硅材料具備耐高溫、耐高壓、高功率、高頻、低能耗等優(yōu)良電氣特性，采用碳化硅襯底可突破傳統(tǒng)材料的物理限制，碳化硅器件將被廣泛用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、5G通訊、國(guó)防軍工等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。

2.1.受益新能源市場(chǎng)發(fā)展，導(dǎo)電型碳化硅襯底前景廣闊

導(dǎo)電型碳化硅襯底主要用于制作功率器件，是電力電子行業(yè)的核心。應(yīng)用場(chǎng)景有電動(dòng)汽車、數(shù)字新基建、工業(yè)電機(jī)等。2018年全球功率器件的銷售額增長(zhǎng)率為14%，達(dá)到163億美元。目前，功率器件主要由硅基材料制成，但是硅基器件由于自身的物理特性限制，其性能、能耗已達(dá)到極限，難以滿足新興電能應(yīng)用需求。

碳化硅功率器件憑借耐高壓、耐高溫等特點(diǎn)，可更加有效地應(yīng)用于新能源汽車等戰(zhàn)略領(lǐng)域。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2019年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模為5.41億美元，預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至25.62億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)30%。碳化硅功率器件市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)也將推動(dòng)導(dǎo)電型碳化硅襯底的需求釋放。

2.1.1.新能源車銷量持續(xù)超預(yù)期，助推導(dǎo)電型碳化硅襯底發(fā)展

新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）和非車載充電樁。

新能源汽車的OBC、DC/DC和電機(jī)控制器主要采用Si基IGBT器件，碳化硅器件有望替代。IGBT已經(jīng)達(dá)到硅基材料的物理極限，難以滿足新能源汽車未來(lái)提高續(xù)航能力、減輕汽車重量、縮短充電時(shí)間等要求，碳化硅器件在未來(lái)存在明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于主逆變器來(lái)說(shuō)，采用SiC模塊替代IGBT模塊，其系統(tǒng)效率可以提高5%左右。

在電池容量相同的情況下，其續(xù)航里程可提高5%；在續(xù)航里程相同的情況下，電池容量可以減少5%，可為新能源汽車的使用節(jié)約大量成本。此外，IGBT是雙極型器件，在關(guān)斷時(shí)存在拖尾電流；而MOSFET是單極器件，不存在拖尾電流，該特性使得SiCMOSFET的開(kāi)關(guān)損耗大幅降低，提高能源轉(zhuǎn)換效率。隨著越來(lái)越多的車廠提高車的電池電壓，在未來(lái)的高壓場(chǎng)景下，碳化硅的性能優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：碳化硅功率器件主要應(yīng)用于新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)控制器，可減小電力電子系統(tǒng)體積、提高功率密度等。特斯拉是第一家在主逆變器中集成全碳化硅功率器件的汽車廠商，其Model3車型率先采用了24個(gè)碳化硅MOSFET，采用標(biāo)準(zhǔn)6-switches逆變器拓?fù)?，每個(gè)switch由4個(gè)單管模塊組成，共24個(gè)單管模塊，可實(shí)現(xiàn)模塊

封裝良率的提升、半導(dǎo)體器件成本的下降。2020年比亞迪漢EV車型電機(jī)控制器使用其自主研發(fā)制造的SiCMOSFET控制模塊，可以在更高的電壓平臺(tái)下工作，減少設(shè)備電阻損失。比亞迪漢在電力電子系統(tǒng)更小的體積（同功率情況下，體積不及硅基IGBT的50%）下達(dá)到更高功率（363Kw），提升車型的加速性能，實(shí)現(xiàn)3.9s內(nèi)0-100公里的加速，延長(zhǎng)汽車的續(xù)航里程（605公里），這均與碳化硅低開(kāi)關(guān)、耐高壓、耐高溫、導(dǎo)熱率高的優(yōu)良特性有關(guān)。

車載充電系統(tǒng)（OBC）：車載蓄電池充電機(jī)可將來(lái)自電池子系統(tǒng)的DC電源轉(zhuǎn)換為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的AC電源。SiC器件使得OBC的能量損耗減少、熱能管理改善。根據(jù)Wolfspeed，OBC采用碳化硅器件，與硅器件相比，其體積可減少60%，BOM成本將降低15%，在400V系統(tǒng)相同充電速度下，SiC充電量翻倍。目前，全球已有超過(guò)20家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）：車載DC/DC變換器可將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電。采用碳化硅器件，設(shè)備溫度積累減少，加之材料本身高導(dǎo)熱率、耐高溫的特點(diǎn)，散熱設(shè)備可以簡(jiǎn)化，從而減小變壓器體積。

非車載充電樁：非車載直流快速充電機(jī)可將輸入的外部AC電源轉(zhuǎn)換為電動(dòng)車需要的DC電源。SiC的高開(kāi)關(guān)速度保證了快速充電器的充電速度。目前大多數(shù)新能源汽車的電壓平臺(tái)為400V，為提高電動(dòng)汽車的充電速度、減輕器件重量，新能源汽車800V電壓平臺(tái)正在推進(jìn)。據(jù)ST測(cè)試數(shù)據(jù)，在800V平臺(tái)下SiC器件損耗顯著低于IGBT，在常用的25%的負(fù)載下其損耗低于IGBT80%。

當(dāng)新能源汽車的電壓平臺(tái)提升至800V后，OBC、DC/DC及PDU等電源產(chǎn)品都需要升級(jí)，碳化硅器件在新能源汽車市場(chǎng)滲透率也將進(jìn)一步提高。目前，SiCMOSFET單管器件的價(jià)格大約為SiIGBT價(jià)格的3-5倍，800V電壓平臺(tái)下，整車成本及充電裝臵將會(huì)更昂貴，采用碳化硅器件模塊的車型有望率先應(yīng)用于高檔車。隨著碳化硅尺寸的增大、產(chǎn)業(yè)鏈的完善，碳化硅襯底成本下降，碳化硅器件會(huì)逐漸擴(kuò)展至中低端車市場(chǎng)，SiC市場(chǎng)空間將被進(jìn)一步打開(kāi)。據(jù)CASA預(yù)測(cè)，到2025年新能源汽車中SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以38％的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

新能源汽車碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模推算：據(jù)IDC預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2025年中國(guó)新能源車銷量500萬(wàn)臺(tái)左右。我們假設(shè)2025年中國(guó)新能源汽車銷量500萬(wàn)~600萬(wàn)輛，據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，車規(guī)碳化硅電驅(qū)模塊價(jià)值量大約為3000-4000元，加之OBC、DC/DC等部件使用，假設(shè)整車的碳化硅器件價(jià)值量約為5000元，根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，碳化硅襯底價(jià)值量大約為器件的50%，假設(shè)30%的新能源汽車采用碳化硅模塊，則預(yù)計(jì)到2025年新能源汽車SiC襯底需求空間為37.5-45億元。

2.1.2.光伏發(fā)電打開(kāi)碳化硅襯底市場(chǎng)空間

采用碳化硅器件可有效提高光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)天科合達(dá)招股書(shū)，碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。高效、可靠、低成本發(fā)電正是光伏發(fā)電的未來(lái)發(fā)展方向，故碳化硅產(chǎn)品有望替代硅基器件光伏逆變器。根據(jù)SolarPowerEurope數(shù)據(jù)，我國(guó)光伏裝機(jī)容量保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，有望在2025年達(dá)到101GW。近年來(lái)，越來(lái)越多的公司投資碳化硅光伏逆變器，追求低能耗、輕量級(jí)、高效率等，根據(jù)CASA預(yù)測(cè)，在2048年，光伏逆變器中碳化硅功率器件占比可達(dá)85%。

2.2.5G等無(wú)線通訊需求推動(dòng)半絕緣型碳化硅襯底快速發(fā)展

半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件。微波射頻器件是實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送和接收的基礎(chǔ)部件，是無(wú)線通訊的核心。與2G、3G、4G相比，5G的頻率較高，其跳躍式的反射特性使其傳輸距離較短，對(duì)功率的要求非常高。碳化硅基氮化鎵器件可滿足5G基站對(duì)于高頻、高速、高功率的要求，突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的缺陷。碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。

賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)5G基站總數(shù)量將是4G基站1.1~1.5倍，大約為360萬(wàn)至492萬(wàn)宏基站，據(jù)YoleDevelopment預(yù)測(cè)，2025年全球射頻器件市場(chǎng)將超過(guò)250億美元，其中射頻功率放大器市場(chǎng)規(guī)模將從2018年的60億美元增長(zhǎng)到2025年的104億美元，氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率將持續(xù)提高。隨著5G市場(chǎng)對(duì)碳化硅基氮化鎵器件需求的增長(zhǎng)，半絕緣型碳化硅晶片的需求量也將大幅增長(zhǎng)。

根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)出貨量（折算為4英寸）有望由2020年的16.56萬(wàn)片增長(zhǎng)至2025年的43.84萬(wàn)片，期間復(fù)合增長(zhǎng)率為21.50%。根據(jù)山東天岳招股書(shū)，2020年襯底的平均單位價(jià)格為9204.94元/片，粗略推算，2025年半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到40.35億元。

3.碳化硅襯底技術(shù)壁壘高，處于產(chǎn)業(yè)鏈核心位臵

3.1.碳化硅襯底生產(chǎn)流程與硅基類似，但是難度大幅度增加

碳化硅襯底的制作流程一般包括原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶錠加工、晶棒切割、晶片研磨、拋光、清洗等環(huán)節(jié)。其中晶體生長(zhǎng)階段為整個(gè)流程的核心，決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)。

原料合成：將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在2,000℃以上的高溫條件下，于反應(yīng)腔室內(nèi)通過(guò)特定反應(yīng)工藝，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅粉原料。

晶體生長(zhǎng)：目前主要有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）和液相法三種方法。其中液相法生長(zhǎng)晶體因尺寸較小目前僅用于實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)，綜合生長(zhǎng)條件控制、生長(zhǎng)效率、缺陷控制等因素，商業(yè)化的技術(shù)路線主要是PVT和HT-CVD，與HT-CVD法相比，采用PVT法生長(zhǎng)的碳化硅單晶所需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易控制，設(shè)備價(jià)格以及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)生產(chǎn)所采用的主要方法。

物理氣相傳輸法（PVT）：PVT法是碳化硅晶體生長(zhǎng)的主流制備方式。將高純碳化硅微粉和籽晶分別臵于單晶生長(zhǎng)爐內(nèi)圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過(guò)感應(yīng)加熱的方式將坩堝加熱至2000℃以上，此時(shí)碳粉和硅粉升華分解成為Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質(zhì)，控制籽晶處溫度略低于下部微粉處，在坩堝內(nèi)形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成不同氣相組分的反應(yīng)氣體，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下到達(dá)溫度較低的籽晶處，并在其上結(jié)晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。

碳化硅粉料純度對(duì)晶片質(zhì)量影響較大，粉料中一般含有極微量的氮，硼、鋁、鐵等雜質(zhì)，其中氮是n型摻雜劑，在碳化硅中產(chǎn)生游離的電子，硼、鋁是p型摻雜劑，產(chǎn)生游離的空穴。為了制備n型導(dǎo)電碳化硅晶片，在生長(zhǎng)時(shí)需要通入氮?dú)?，讓它產(chǎn)生的一部分電子中和掉硼、鋁產(chǎn)生的空穴（即補(bǔ)償），另外的游離電子使碳化硅表現(xiàn)為n型導(dǎo)電。為了制備高阻不導(dǎo)電的碳化硅（半絕緣型），在生長(zhǎng)時(shí)需要加入釩（V）雜質(zhì)，釩既可以產(chǎn)生電子，也可以產(chǎn)生空穴，讓它產(chǎn)生的電子中和掉硼、鋁產(chǎn)生的空穴（即補(bǔ)償），它產(chǎn)生的空穴中和掉氮產(chǎn)生的電子，所以所生長(zhǎng)的碳化硅幾乎沒(méi)有游離的電子、空穴，形成高阻不導(dǎo)電的晶片。

3.2.碳化硅襯底生產(chǎn)難度較高，溫場(chǎng)控制是工藝核心

工藝?yán)щy導(dǎo)致碳化硅襯底制造效率較低。碳化硅半導(dǎo)體晶片材料核心參數(shù)包括微管密度、位錯(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。與傳統(tǒng)的單晶硅使用提拉法制備不同，碳化硅材料因?yàn)橐话銞l件下很難液相生長(zhǎng)，現(xiàn)今市場(chǎng)主流采用氣相生長(zhǎng)的方法，在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長(zhǎng)、同時(shí)還要提升長(zhǎng)晶效率是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，溫場(chǎng)控制是最核心的難度，后續(xù)將生長(zhǎng)好的晶體加工成可以滿足半導(dǎo)體器件制造所需晶片又涉及一系列高難度工藝調(diào)控。在整個(gè)過(guò)程中主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

溫度要求高，黑箱操作觀測(cè)難：一般而言，碳化硅氣相生長(zhǎng)溫度在2300℃以上，且在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長(zhǎng)溫度，與之對(duì)比，硅僅需1600℃左右。高溫對(duì)設(shè)備和工藝控制帶來(lái)了極高的要求，生產(chǎn)過(guò)程幾乎是黑箱操作難以觀測(cè)。如果溫度和壓力控制稍有失誤，則會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)數(shù)天的產(chǎn)品失敗。長(zhǎng)晶速度慢，時(shí)間成本高：碳化硅的生長(zhǎng)速度緩慢，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)主流工藝使用物理氣相傳輸法（PVT）約7天才能生長(zhǎng)2cm左右。對(duì)比來(lái)看，硅棒拉晶2-3天即可拉出約2m長(zhǎng)的8英寸硅棒。

晶型要求高，產(chǎn)出良率低：碳化硅存在200多種晶體結(jié)構(gòu)類型，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型（4H-SiC）等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才是所需的半導(dǎo)體材料，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)，需要精確的材料配比、熱場(chǎng)控制和經(jīng)驗(yàn)積累，才能在高溫下制備出無(wú)缺陷、皆為4H晶型的可用碳化硅襯底否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶體不合格。

材料硬度大，切割磨損高：碳化硅硬度僅次于金剛石，為第二硬的材料，這導(dǎo)致其切割、研磨、拋光的加工難度也顯著增加，工藝水平的提高需要長(zhǎng)期的研發(fā)積累。另外，碳化硅晶片的厚度是會(huì)比硅基的硅的晶錠會(huì)薄很多。它在做切磨拋的時(shí)候需要更硬的一些設(shè)備，從而在切割、磨的時(shí)候碳化硅損失也會(huì)更多，產(chǎn)出比只有60%左右。

3.3.尺寸增加并進(jìn)一步改進(jìn)電化學(xué)性能是SiC技術(shù)下一階段發(fā)展方向

擴(kuò)徑技術(shù)：為提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)公司主要量產(chǎn)產(chǎn)品尺寸集中在4英寸及6英寸，而行業(yè)龍頭Cree已成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品。隨著尺寸的不斷增大，擴(kuò)徑技術(shù)的要求也越來(lái)越高，需要綜合熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、晶體制備工藝設(shè)計(jì)等多方面的技術(shù)控制要素，最終實(shí)現(xiàn)晶體的迭代擴(kuò)徑生長(zhǎng)。改進(jìn)電學(xué)性能：碳化硅襯底以電學(xué)性能分為導(dǎo)電性與半絕緣型，未來(lái)技術(shù)的發(fā)展需要保證電學(xué)性能的不斷改進(jìn)。

半絕緣型襯底：目前行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)已普遍將電阻率穩(wěn)定控制在108Ω〃cm以上。在半絕緣型襯底制備過(guò)程中，去除晶體中的各種雜質(zhì)對(duì)實(shí)現(xiàn)碳化硅晶體本征高電阻率十分重要。因此在PVT制備條件下，生長(zhǎng)反應(yīng)腔室內(nèi)的反應(yīng)物料的純度需要得到保證，以避免粉料釋放出雜質(zhì)。

導(dǎo)電型襯底：導(dǎo)電型碳化硅襯底具有低電阻率。在生產(chǎn)過(guò)程中，電阻率容易發(fā)生分布不均勻的情況，具體表現(xiàn)為徑向上電阻率中間低、邊緣高；軸向上電阻率生長(zhǎng)前期低、后期高的特征，如何實(shí)現(xiàn)碳化硅襯底的均勻電阻率與不同碳化硅襯底的電阻率一致是未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。降低微管密度：微管是延伸并貫穿整個(gè)晶棒的中空管道，微管的存在密度將直接決定外延層的結(jié)晶質(zhì)量，器件區(qū)存在微管將直接導(dǎo)致器件漏電甚至擊穿失效。因此，降低微管密度是碳化硅產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要技術(shù)方向。

3.4.碳化硅襯底成本下降趨勢(shì)可期

在碳化硅器件成本結(jié)構(gòu)中，襯底成本約占50%。碳化硅襯底較低的供應(yīng)量和較高的價(jià)格一直是制約碳化硅基器件大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一，碳化硅襯底需要在2500度高溫設(shè)備下進(jìn)行生產(chǎn)，而硅晶只需1500度；碳化硅晶圓約需要7至10天，而硅晶棒只需要2天半；目前碳化硅晶圓主要是4英寸與6英寸，而用于功率器件的硅晶圓以8英寸為主，這意味著碳化硅單晶片所產(chǎn)芯片數(shù)量較少、碳化硅芯片制造成本較高,目前碳化硅功率器件的價(jià)格仍數(shù)倍于硅基器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域仍需平衡碳化硅器件的高價(jià)格與碳化硅器件優(yōu)越性能帶來(lái)的綜合成本下降間的關(guān)系。

據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，目前6寸導(dǎo)電型襯底片的市場(chǎng)零售價(jià)約1000美元/片,目前4、6寸片價(jià)格是硅的60倍以上，但是由于高頻、高壓的性能，可以降低對(duì)無(wú)源器件的使用，這同時(shí)能節(jié)省系統(tǒng)成本，碳化硅的系統(tǒng)成本目前是硅的2-8倍。結(jié)合國(guó)際技術(shù)路線對(duì)成本考量，到2025年有望下降至500美元以下，硅基和sic基的成本差距會(huì)在2倍內(nèi)，一些高電壓大電流的功率器件會(huì)被碳化硅替代和滲透。

4.國(guó)際龍頭企業(yè)占市場(chǎng)主要位臵，國(guó)內(nèi)企業(yè)加速追趕

4.1.國(guó)際大廠市場(chǎng)占有率高，提前布局大尺寸襯底量產(chǎn)計(jì)劃

Cree公司是全球龍頭，占主要地位。2020上半年全球半導(dǎo)體SiC晶片市場(chǎng)中，美國(guó)Cree出貨量占據(jù)全球45%，歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，主要企業(yè)有Siltronic、意法半導(dǎo)體、IQE、英飛凌等，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大的話語(yǔ)權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者，代表企業(yè)有松下、羅姆、住友電氣、三菱等，羅姆子公司SiCrystal占據(jù)20%，II-VI占13%。

Cree公司能夠批量供應(yīng)4英寸至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開(kāi)始建設(shè)8英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線，目前Cree公司的碳化硅晶片供應(yīng)量位居世界前列。貳陸公司能夠提供4至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底。在量產(chǎn)時(shí)間表方面，2019年5月，Cree宣布投入10億美元建設(shè)新工廠，將于2024年量產(chǎn)