第三代半導(dǎo)體SiC襯底研究-產(chǎn)業(yè)瓶頸亟待突破國內(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)用場景有極大優(yōu)勢。

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、擊穿電場低且具有毒性，無法

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)勢是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場強度，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，具有開關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢，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前景。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈分為襯底材料制備、外延層生長、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出的碳

化硅外延片可進一步制成功率器件，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和發(fā)展態(tài)勢碳化硅襯底的尺寸（按直徑計算）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)儲備上，以行業(yè)領(lǐng)先者

Cree公司的研發(fā)進程為例，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

就越小，有利于進一步降低芯片的成本。在半絕緣型碳化硅市場，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，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)中國寬禁帶功率

半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的預(yù)測，預(yù)計

2020-2025

年國內(nèi)市場的需求，4

英寸逐步從

10

萬片

市場減少到

5

萬片，6

英寸晶圓將從

8

萬片增長到

20

萬片；2025~2030

年：4

英寸晶圓將

逐漸退出市場，6

英寸晶圓將增長至

40

萬片。2.

下游市場多點開花，替代硅基材料進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、國防軍工等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。2.1.

受益新能源市場發(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)用場景有電動汽車、

數(shù)字新基建、工業(yè)電機等。2018

年全球功率器件的銷售額增長率為

14%，達到

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

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，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規(guī)

模為

5.41

億美元，預(yù)計

2025

年將增長至

25.62

億美元，復(fù)合年增長率達

30%。碳化硅功

率器件市場的高速增長也將推動導(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：電機驅(qū)動系統(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)達到硅基材料的物理極限，難以滿足新能源汽車未來提高續(xù)航能力、減輕汽

車重量、縮短充電時間等要求，碳化硅器件在未來存在明顯優(yōu)勢。

對于主逆變器來說，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的開關(guān)損

耗大幅降低，提高能源轉(zhuǎn)換效率。隨著越來越多的車廠提高車的電池電壓，在未來的高壓

場景下，碳化硅的性能優(yōu)勢會更加明顯。電機驅(qū)動系統(tǒng)：碳化硅功率器件主要應(yīng)用于新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)中的電機控制器，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

個碳化硅

MOSFET，采用標準

6-

switches逆變器拓撲，每個

switch由

4

個單管模塊組成，共

24

個單管模塊

，可實現(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下工作，減少設(shè)備電阻損