2022中國SIC碳化硅器件行業(yè)深度研究報告

2022年中國SiC碳化硅器件行業(yè)深度研究報告CON目T錄ENTS第一章

碳化硅器件行業(yè)概況05第四章

產(chǎn)業(yè)鏈上游—外延36碳化硅外延業(yè)定義分類碳化硅外延片制作方法CVD法制作碳化硅外延技術(shù)路線碳化硅外延技術(shù)進展37383940414243碳化硅器件行業(yè)定義分類碳化硅器件行業(yè)政策060910111414碳化硅器件行業(yè)發(fā)展歷程中國碳化硅器件行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈碳化硅器件行業(yè)市場規(guī)模全球碳化硅器件行業(yè)市場規(guī)模中國碳化硅器件行業(yè)市場規(guī)模中國碳化硅器件行業(yè)競爭格局中國碳化硅器件行業(yè)發(fā)展的機會和挑戰(zhàn)碳化硅外延制作設(shè)備碳化硅外延成本與價格碳化硅外延產(chǎn)能布局1516第五章

產(chǎn)業(yè)鏈中游—器件制造碳化硅器件設(shè)計44171945474849碳化硅器件制造第二章

碳化硅器件行業(yè)技術(shù)情況碳化硅器件行業(yè)國內(nèi)外技術(shù)差距碳化硅器件擴大應(yīng)用技術(shù)難點碳化硅器件封測202127碳化硅器件產(chǎn)能布局第六章

產(chǎn)業(yè)鏈下游—終端應(yīng)用碳化硅器件用途53碳化硅器件行業(yè)降低成本技術(shù)路徑545558第三章

產(chǎn)業(yè)鏈上游—襯底襯底定義與分類28導(dǎo)電型器件應(yīng)用293031323334半絕緣型器件應(yīng)用全球碳化硅襯底市場規(guī)模國內(nèi)外襯底差距第七章

行業(yè)企業(yè)59株洲中車時代電氣股份有限公司嘉興斯達半導(dǎo)體股份有限公司無錫新潔能股份有限公司6061626364襯底競爭格局襯底發(fā)展趨勢中國襯底產(chǎn)能布局和規(guī)劃山東天岳先進科技股份有限公司廣東天域半導(dǎo)體股份有限公司名詞解釋????SiC、碳化硅：SiliconCarbide，碳和硅的化合物，一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，俗稱第三代半導(dǎo)體材料之一。GaN、氮化鎵：GalliumNitride三代半導(dǎo)體材料之一。晶片、襯底、拋光片：沿特定的結(jié)晶方向?qū)⒕w切割、研磨、拋光，得到具有特定晶面和適當(dāng)電學(xué)、光學(xué)和機械特性，用于生長外延層的潔凈單晶圓薄片。外延片：在晶片的基礎(chǔ)上，經(jīng)過外延工藝生長出特定單晶薄膜，襯底晶片和外延薄膜合稱外延片。如果外延薄膜和襯底的材料相同，稱為同質(zhì)外延；如果外延薄膜和襯底材料不同，稱為異質(zhì)外延。????芯片：在半導(dǎo)體外延片上進行浸蝕、布線，制成的能實現(xiàn)某種功能的半導(dǎo)體器件。射頻器件：利用射頻技術(shù)形成的一類元器件，常用于無線通信等領(lǐng)域。HEMT：HighElectronMobilityTransistor，高電子遷移率晶體管，是一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管微波器件：工作在微波波段（頻率為300～300，000兆赫）的器件。通過電路設(shè)計，微波器件可組合成各種有特定功能的微波電路，用于、電子戰(zhàn)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等電子裝備。??功率器件：用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路的分立器件，也稱電力電子器件。肖特基二極管：SchottkyBarrierDiode，即肖特基勢壘二極管，利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制作的一種熱載流子二極管，也被稱為金屬-半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢壘二極管。?二極管：用半導(dǎo)體材料制成的一種功率器件，具有單向?qū)щ娦阅?，?yīng)用于各種電子電路中，實現(xiàn)對交流電整流、對調(diào)制信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩(wěn)壓等多種功能。???MOSFET：Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor種電力電子行業(yè)的常用半導(dǎo)體開關(guān)器件的縮寫，即絕緣柵雙極性晶體管。逆變器：把直流電能轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的轉(zhuǎn)換器。名詞解釋?禁帶：在能帶結(jié)構(gòu)中能態(tài)密度為零的能量區(qū)間，常用來表示價帶和導(dǎo)帶之間的能量范圍。禁帶寬度的大小決定了材料是具有半導(dǎo)體性質(zhì)還是具有絕緣體性質(zhì)。第三代半導(dǎo)體因具有寬禁帶的特征，又稱寬禁帶半導(dǎo)體。????????????電子漂移速率：電子在電場作用下移動的平均速度。飽和電子漂移速率：電子漂移速率達到一定范圍后，不再隨著電場作用而繼續(xù)增加的極限值。熱導(dǎo)率：物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度，又稱導(dǎo)熱系數(shù)。擊穿電場強度：電介質(zhì)在足夠強的電場作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱為電介質(zhì)擊穿，所對應(yīng)的電場強度稱為擊穿電場強度。微管：碳化硅晶片的一種缺陷，是晶片中延軸向延伸且徑向尺寸在一微米至十幾微米的中空管道。導(dǎo)通電阻：半導(dǎo)體器件導(dǎo)通后兩端電壓與導(dǎo)通電流之比，是器件的重要參數(shù)，理想的半導(dǎo)體器件導(dǎo)通電阻應(yīng)為零。長晶爐：晶體生長爐。PVT法：PhysicalVaporTransportation，物理氣相傳輸法，一種常見的碳化硅晶體生長方法。CVD法：化學(xué)氣相沉積法，一種晶體和外延生長方法。光電器件：根據(jù)光電效應(yīng)制作的器件，主要種類包括光電管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電耦合器件等。轉(zhuǎn)換器：將一種信號轉(zhuǎn)換成另一種信號的裝置。OBC：On-boradCharger，車載充電器。行業(yè)概述行業(yè)定義與分類碳化硅器件是指以碳化硅為原材料制成的器件SiC碳化硅是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅（SiC）的禁帶寬度是硅的3倍；導(dǎo)熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍。碳化硅原材料核心優(yōu)勢體現(xiàn)在：1)耐高壓特性：更低的阻抗、禁帶寬度更寬，能承受更大的電流和電壓，帶來更小尺寸的產(chǎn)品設(shè)計和更高的效率；2)耐高頻特性：SiC器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，能有效提高元件的開關(guān)速度（大約是Si的3-10倍），適用于更高頻率和更快的開關(guān)速度；3)耐高溫特性：SiC相較硅擁有更高的熱導(dǎo)率，能在更高溫度下工作。定義：SiC碳化硅器件是指以碳化硅為原材料制成的器件，按照電阻性能的不同分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。功率器件又被稱為電力電子器件，是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件。電力電子器件是對電能進行變換和控制，所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下。電力電子裝置正是實現(xiàn)電能高質(zhì)量高效轉(zhuǎn)換、多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化、弱電與強電之間控制運行、交流與直流之間能量互換、自動化高效控制等的重要手段，也是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、提高電能利用效率的重要保障。射頻器件在無線通訊中扮演信號轉(zhuǎn)換的角色，是無線通信設(shè)備的基礎(chǔ)性零部件，主要包括功率放大器、濾波器、開關(guān)、低噪聲放大器、雙工器等。相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅（SiC）各項性能指標優(yōu)勢明顯第一代半導(dǎo)體第二代半導(dǎo)體第三代半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料禁帶寬度（eV）SiGe0.67間接0.1GaAsGaN3.37直接54H-SiC3.26間接36H-SiC3C-SiC2.2ALN6.21.12間接0.31.43直接0.0685004003間接5能帶類型間接3間接1.4擊穿場強（MV/cm）電子遷移率（cm2/Vs）空穴遷移率（cm2/Vs）熱導(dǎo)率（W/cm*K）13504801.3390019000.581250<20028001154.9<40090<8003203.6300140.554.92.85行業(yè)定義與分類碳化硅制成的功率器件根據(jù)電學(xué)性能差異分成兩類，不同的器件具有不同應(yīng)用范圍導(dǎo)電型碳化硅功率器件主要是通過在導(dǎo)電型襯底上生長碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進一步加工制成，品種包括造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等，主要用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、數(shù)據(jù)中心、充電等基礎(chǔ)建設(shè)。性能優(yōu)勢如下：（1）更強的高壓特性。碳化硅的擊穿電場強度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。（2）更好的高溫特性。碳化硅相較硅擁有更高的熱導(dǎo)率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時降低對散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。（3）更低的能量損耗。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，大幅提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率。半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片后進一步制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件，主要用于5G通信、車載通信、國防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。碳化硅、氮化鎵材料的飽和電子漂移速率分別是硅的2.0、2.5倍，因此碳化硅、氮化鎵器件的工作頻率大于傳統(tǒng)的硅器件。然而，氮化鎵材料存在耐熱性能較差的缺點，而碳化硅的耐熱性和導(dǎo)熱性都較好，可以彌補氮化鎵器件耐熱性較差的缺點，因此業(yè)界采取半絕緣型碳化硅做襯底，在襯底上生長氮化鎵外延層后制造射頻器件。碳化硅的主要器件形式及應(yīng)用導(dǎo)電型碳化硅功率器件耐高溫、耐高壓N型襯底（摻雜氮N）SiC外延（摻雜氮N）?

具有降低能耗、提升可靠性、縮小系統(tǒng)體積。提升系統(tǒng)性能等優(yōu)勢。導(dǎo)電型?

用于新能源汽車、軌道交通、光伏發(fā)電、P型襯底（摻雜鋁AI）?

可制造出N溝道IGBT，有著比P溝道IGBT更優(yōu)越的導(dǎo)通特性和開關(guān)特性，因此在電力轉(zhuǎn)換時，開關(guān)損耗更小，在超高壓功率電子領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域市場規(guī)模龐大。襯底?

技術(shù)難度大、成本高，難以實現(xiàn)量產(chǎn)。高純襯底半絕緣型碳化硅基射頻器件GaN外延（摻雜氮N）絕緣型?

用于5G通訊、、等領(lǐng)域摻雜襯底（摻雜釩）電阻率較高不導(dǎo)電行業(yè)定義與分類碳化硅器件廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、5G通訊等領(lǐng)域碳化硅制成的功率器件在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、5G通訊等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。半絕緣型碳化硅基射頻器件以半絕緣型碳化硅襯底經(jīng)過異質(zhì)外延制備而成，主要面向通信基站以及應(yīng)用的功率放大器。碳化硅基氮化鎵射頻器件已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，以無線通信基礎(chǔ)設(shè)施和國防應(yīng)用為主。無線通信基礎(chǔ)設(shè)施方面，5G具有大容量、低時延、低功耗、高可靠性等特點，要求射頻器件擁有更高的線性和更高的效率。相比砷化鎵和硅基LDMOS射頻器件，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具有碳化硅良好的導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能，成為5G基站功率放大器的主流選擇。在領(lǐng)域，碳化硅基氮化鎵射頻器件已經(jīng)代替了大部分砷化鎵和部分硅基LDMOS器件，占據(jù)了大部分市場。對于需要高頻高輸出的衛(wèi)星通信應(yīng)用，氮化鎵器件也有望逐步取代砷化鎵的解決方案。導(dǎo)電型碳化硅功率器件主要應(yīng)用于電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通等領(lǐng)域，具體情況如下：導(dǎo)電型碳化硅功率器件應(yīng)用及優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢“三電”（即電池、電驅(qū)、電控）是電動汽車的主要組成部分，從電池的充放電再到電力驅(qū)動汽車行走，整個系統(tǒng)中對于電力控制以及電力轉(zhuǎn)換有著很高的需求，同時隨著電動汽車的發(fā)展對電力電子功率驅(qū)動系統(tǒng)提出了更輕、更緊湊、更高效、更可靠的要求。而碳化硅優(yōu)良的物理性能可以使芯片尺寸更小、效率更高，更加耐高溫，可以應(yīng)用在電動汽車的功率控制單元（PCU）、逆變器、車載充電器中。以SiC基MOSFET器件在逆變器中的應(yīng)用為例，通常電池輸出的是直流電，需要通過逆變器將其轉(zhuǎn)換成交流電后驅(qū)動感應(yīng)電機，進而帶動車輪轉(zhuǎn)動，這一過程中交流電的頻率、轉(zhuǎn)換效率、等都會直接影響到電動汽車的續(xù)航里程，和傳統(tǒng)方案相比，SiC在縮減體積的基礎(chǔ)上，提升了電能的轉(zhuǎn)換效率，提升電動汽車的續(xù)航里程。電動汽車/充電樁光伏逆變器曾普遍采用硅器件，經(jīng)過40多年的發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率和功率密度等已接近理論極限。碳化硅器件具有低損耗、高開關(guān)頻率、高適用性、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)點。使用碳化硅功率器件的光伏逆變器在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率方面能夠很好的保持在96%以上，甚至可以達到99%，在能量損耗以及設(shè)備使用壽命方面也得到了不同程度的優(yōu)化。光伏新能源軌道交通碳化硅功率器件在軌道交通行業(yè)得到重要應(yīng)用。未來軌道交通對電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。目前，受限于碳化硅功率器件的電流容量，碳化硅混合模塊將首先開始替代部分硅IGBT模塊。行業(yè)政策國家大力支持第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）的蓬勃發(fā)展近年來，國家陸續(xù)出臺政策文件，大力支持行業(yè)發(fā)展，鼓勵企業(yè)深入布局，第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）蓬勃發(fā)展。國家持續(xù)出臺相關(guān)政策支持第三代半導(dǎo)體發(fā)展，2016年7月，國務(wù)院《關(guān)于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》明確發(fā)展第三代半導(dǎo)體芯片；2019年11月工信部將第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品寫入《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》，2019年12月，在《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確要求加快培育布局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展；2020年7月為鼓勵企業(yè)積極發(fā)展集成電路，國家減免相關(guān)企業(yè)稅收；2021年3月，十四五規(guī)劃中特別提出第三代半導(dǎo)體要取得發(fā)展；2021年8月，工信部將第三代半導(dǎo)體納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。中國與碳化硅行業(yè)相關(guān)的政策與活動日期相關(guān)活動政策2021.088月14日，工信部宣布將SiC（SiC）復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃2021.052021.032020.072019.122019.112019.062016.07國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會議召開，會上討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)新華網(wǎng)刊登了《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，其中“集成電路”領(lǐng)域，特別提出SiC、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體即第三代半導(dǎo)體要取得發(fā)展。國務(wù)院發(fā)文《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》中指出，國家鼓勵集成電路企業(yè)，自獲利年度起，第一年至第二年免征企業(yè)所得稅，第三年至第五年按照25%的法定稅率或減半征收企業(yè)所得稅國務(wù)院在《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確要求加快培育布局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展工信部印發(fā)《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》，其中GaN單晶襯底、功率器件用GaN外延片、SiC外延片，SiC單晶襯底等第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品進入目錄商務(wù)部及在鼓勵外商投資名單中增加了支持引進SiC超細粉體外商企業(yè)國務(wù)院推出了《關(guān)于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》，其中首次提到要加快第三代半導(dǎo)體芯片技術(shù)與器件的研發(fā)行業(yè)發(fā)展歷程最早商業(yè)化碳化硅產(chǎn)品的是美國的CREE（現(xiàn)Wolfspeed）公司自1824年J.J.Berzelius首次發(fā)現(xiàn)SiC材料后，至今已200年歷史。但是SiC材料走出實驗室始于CREE（現(xiàn)Wolfspeed）開展SiC商用生產(chǎn)線，SiC材料呈現(xiàn)加速成長趨勢。SiC材料及器件發(fā)展歷程1987年2008年2017年Gree（Wolfspeed）建立第一條Sic商用生產(chǎn)線Semisouth發(fā)布第一個增強型SiCFETTranSiC發(fā)布SICBJTST推出5mm×6mm雙面散熱微型封裝汽車級SiCMOSFET1998年2011年2018年Gree推出GaN-on-Sic新產(chǎn)品Rohm生產(chǎn)SICMOSFETGree推出SICMOSFETRohm推出高溫環(huán)境下可靠性1700V功率模塊2001年2012年2019年第一個商用SICSBDInfineon發(fā)布1200VSiCJEFTGree啟動6英寸SiC襯底量產(chǎn)Rohm推出內(nèi)置2005年1700VSiCMOSFET的AC/DC轉(zhuǎn)接器IC2014年Gree發(fā)布27KVSiCIGBTGree產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)4英寸SIC襯板2020年特斯拉宣布電驅(qū)電控采用STSIC模塊2006年2015年Si/SiC混合功率模塊問世Ⅱ-Ⅵ展示8英寸晶圓Rohm量產(chǎn)1200V/180A全SiC模塊萌芽期培育期發(fā)展期碳化硅從材料到半導(dǎo)體功率器件大概經(jīng)歷了單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設(shè)計、制造、封裝等工藝流程行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈(1)從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過外延生長得到外延片。外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經(jīng)過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。襯底是最核心的環(huán)節(jié)。由SiC粉經(jīng)過長晶、加工、切割、研磨、拋光、清洗環(huán)節(jié)最終形成襯底。其中SiC晶體的生長為核心工藝，核心難點在提升良率。外延本質(zhì)是在襯底上面再覆蓋一層薄膜以滿足器件生產(chǎn)的條件。行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈(2)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設(shè)計、制造、封測等環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)鏈包括上游是襯底和外延、中游是器件和模塊制造，下游是終端應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)鏈價值量倒掛，其中襯底制造技術(shù)壁壘最高、價值量最大，是未來SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進的核心。輔助產(chǎn)業(yè)上游襯底（47%）和外延（23%）中游器件制造（20%）下游終端應(yīng)用設(shè)備襯底外延設(shè)計制造封測應(yīng)用新能源汽車，家電，工業(yè)等北方華創(chuàng)晶盛機電中微公司芯源微導(dǎo)電型碳化硅外延功率器件碳化硅晶片三安光電交通航運風(fēng)力，太陽能泰科天潤、時代電氣、華潤微、士蘭微、揚杰科技、聞泰科技、瞻芯、中科漢韻、燕東微電子天科合達、中電化合物半絕緣型氮化鎵外延微波射頻器件5G通訊等納設(shè)智能意大利LPE德國Aixtron日本Nuflare中電13所天科合達天岳先進泰科天潤（充電樁）世紀金光、中電科55所、中電科13所、民德電子天岳先進比亞迪（新能源汽車）爍科晶體同光晶體露笑科技東尼電子超芯星廣東天域瀚天天成普興電子國盛電子百識電子嘉晶電子APS瀚薪長電科技通富微電華天科技芯聚能積塔長飛先進寬能北京科諾偉業(yè)（光伏，風(fēng)力發(fā)電）派恩杰中車時代電氣（動車，軌道交通）愛仕特清純半導(dǎo)體基本半導(dǎo)體漢磊忱芯科技基本半導(dǎo)體國家電網(wǎng)全球互聯(lián)網(wǎng)研究院南砂晶圓（電力系統(tǒng)）行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈(3)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)襯底和外延成本占比高達70%，遠高于硅基襯底，導(dǎo)致碳化硅功率器件滲透率較低。從最上游的碳粉、硅粉制備成碳化硅圓晶，再進行外延，最后制備成SBD、MOSFET、IGBT等器件，圓晶及外延是整個環(huán)節(jié)最關(guān)鍵的一環(huán)。他決定著上游原材料制備的方式及相關(guān)參數(shù)，同時也決定著下游器件的性能。碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的47%，外延環(huán)節(jié)又占據(jù)23%，制造前的成本占據(jù)全部成本的70%。而對于Si基器件來說，晶圓制造占據(jù)50%的成本，硅片襯底僅占據(jù)7%的成本，碳化硅器件上游襯底和外延價值量凸顯。由于碳化硅襯底及外延價格相對硅片較為昂貴，碳化硅功率器件現(xiàn)階段滲透率較低。然而，由于碳化硅器件高效率、高功率密度等特性，新能源汽車、能源、工業(yè)等領(lǐng)域的強勁需求有望帶動碳化硅滲透率快速提升。碳化硅器件成本結(jié)構(gòu)硅基器件的成本結(jié)構(gòu)研發(fā)費用,6%其他原材料,其他,5%24%晶圓制造設(shè)備/工藝,50%襯底,47%前段,19%襯底,7%外延,23%能效維護,19%數(shù)據(jù)：CASA，TelescopeMagazine，億渡數(shù)據(jù)整理行業(yè)市場規(guī)模(1)2027年全球碳化硅器件市場規(guī)模有望超過80億美元未來隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業(yè)、通訊等領(lǐng)域滲透率提升，碳化硅器件市場規(guī)模有望持續(xù)提升。2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌鲆?guī)模有望突破60億美元。根據(jù)Yole，2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌鲆?guī)模將由2021年的10.90億美元增至62.97億美元，2021-2027年每年以34%年均復(fù)合增長率快速增長。汽車應(yīng)用主導(dǎo)SiC市場，占整個功率SiC器件市場的75%以上。隨著5G建設(shè)的加速，半絕緣型碳化硅器件市場有望持續(xù)增長。半絕緣型碳化硅器件主要用于5G基站、衛(wèi)星通信、

等方向，隨著5G建設(shè)的加速，尤其是MassiveMIMO技術(shù)的推廣，半絕緣型碳化硅基氮化鎵器件市場規(guī)模將不斷擴大。根據(jù)YOLE的數(shù)據(jù)，2020年封裝的氮化鎵射頻器件市場規(guī)模約為8.91億美元，其中超過99%都是采用碳化硅襯底，到2026年，這部分市場規(guī)模有望增長至22.22億美元，年復(fù)合增速17%。2021年、2027年導(dǎo)電型碳化硅功率器件市場規(guī)模變化單位：億美元2020年、2026年半絕緣型碳化硅基射頻器件市場規(guī)模變化70.0060.00單位：億美元62.9725.0022.2247.0950.0040.0030.0020.0010.000.0019.3020.0015.0010.005.0016.5435.4014.1812.1726.2310.498.9719.7214.7210.907.805.804.000.002018年

2019年

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2027E2022E2023E2024E2025E2026E2020年2021年數(shù)據(jù)：YOLE，億渡數(shù)據(jù)行業(yè)市場規(guī)模(2)2021年中國碳化硅功率器件應(yīng)用市場規(guī)模達到71.1億元碳化硅器件可大幅降低能耗及可耐高壓高頻，被廣泛應(yīng)用在電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通及智能電網(wǎng)領(lǐng)域，隨著5G，新能源汽車，光伏發(fā)電和軌道交通的發(fā)展，碳化硅器件市場規(guī)模將快速增長。2017-2021年，中國碳化硅基電力電子器件應(yīng)用市場快速增長。2021年中國碳化硅電力電子器件應(yīng)用市場規(guī)模達到71.1億元，同比增長51.9%。在中高壓領(lǐng)域，碳化硅基電力電子器件將繼續(xù)滲透，新能源汽車仍將是最大應(yīng)用領(lǐng)域。在低壓、小功率電源領(lǐng)域，包括LED驅(qū)動電源、電動工具電源、消費電源、D類音頻，GaN電力電子器件將是主角，成為驅(qū)動市場的新力量；在中壓領(lǐng)域，GaN、SiC電力電子器件在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機中的應(yīng)用正呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。2017-2021中國碳化硅功率器件應(yīng)用市場規(guī)模2021年中國碳化硅功率器件應(yīng)用市場結(jié)構(gòu)單位：億元不間斷電源UPS,3.50%其它,2.50%8070605040302010071.1新能源汽車,40%消費類電源,19%46.8工業(yè)機電,1%2924.6318.5光伏逆變器,15.50%風(fēng)力發(fā)電,2017年2018年2019年2020年2021年機車牽引,12%6.50%數(shù)據(jù)：CASA，億渡數(shù)據(jù)行業(yè)競爭格局導(dǎo)電型碳化硅功率器件市場集中度高CR6高達99%在碳化硅器件領(lǐng)域，歐美日企業(yè)領(lǐng)先，全球前6大廠商市占率達到99%全球碳化硅器件市場格局仍由海外巨頭主導(dǎo)。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2021年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌鲆?guī)模為10.90億美元，市場份額由海外巨頭意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機、安森美等廠商壟斷，全球TOP6占據(jù)99%的市場份額。碳化硅器件行業(yè)市場空間廣闊，全球巨頭紛紛規(guī)劃大規(guī)模擴產(chǎn)。Wolfspeed在紐約州北部開始運營新的8英寸SiC晶圓廠。博世正在德國增加近40000平方英尺的新SiC專用潔凈室。Rohm在日本開設(shè)了一家新工廠，目標是在未來五年內(nèi)將SiC制造量提高5倍。英飛凌剛剛開始在馬來西亞建設(shè)新的SiC工廠。東芝計劃到2024年將SiC產(chǎn)量提高3倍，到2026年提高10倍。未來隨著全球巨頭產(chǎn)能擴張，碳化硅器件有望加速應(yīng)用于下游市場。2021年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌龈偁幐窬?021年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷S商排名2020營收（百萬美元）2021營收（百萬美元）排名地區(qū)公司同比三菱電機,3%其它,1%安森美,7%羅姆,10%意法半導(dǎo)體,123456歐洲歐洲北美日本北美日本意法半導(dǎo)體英飛凌290110108103554502481651087855%125%53%5%41%Wolfspeed羅姆Wolfspeed,15%安森美42%8%三菱電機2628英飛凌,23%數(shù)據(jù)：Yole，億渡數(shù)據(jù)整理行業(yè)發(fā)展存在的機會和挑戰(zhàn)(1)碳化硅（SiC）行業(yè)發(fā)展存在的挑戰(zhàn)巨大的市場需求、持續(xù)下行的成本、技術(shù)自主可控的迫切需求和政府政策支持將使行業(yè)迎來發(fā)展契機。碳化硅襯底制備成本高高端技術(shù)和人才缺乏國外技術(shù)封鎖外延設(shè)備國產(chǎn)化率低產(chǎn)品良率低由于晶體生長速率慢、制備技術(shù)難度較大，大尺寸、高品質(zhì)碳化硅襯底生產(chǎn)成本依舊較高，碳化硅襯底較低的供應(yīng)量和較高的價格一直是制約碳化硅器件大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一，限制了產(chǎn)品在下游行業(yè)的應(yīng)用和推廣。半導(dǎo)體材料行業(yè)屬于典型技術(shù)密集型行業(yè)，對于技術(shù)人員的知識背景、研發(fā)能力及操作經(jīng)驗積累均有較高要求，國內(nèi)在高端技術(shù)和人才方面與國外龍頭企業(yè)尚存在差距?？s小技術(shù)差距，需要靠國內(nèi)企業(yè)和研究機構(gòu)持續(xù)投入研發(fā)，完成前期技術(shù)積累工作。碳化硅器件屬于寬禁帶半導(dǎo)體，寬禁帶半導(dǎo)體的軍事用途使得國外對中國實行技術(shù)和產(chǎn)品禁運和封鎖。寬禁帶半導(dǎo)體是有源外延環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘相對較高，對第三方廠商成熟設(shè)備具有較強依賴性。目前外延設(shè)備主要由意大利LPE公司、德國Aixtron公司、日本Nuflare公司壟斷，占據(jù)全球87%左右市場空間。國內(nèi)碳化硅襯底廠商天岳先進和天科合達良率約為50%，而國外巨頭Wolfspeed的良率已達85%，良率偏低造成材料大量浪費，有效產(chǎn)能較低，最終導(dǎo)致襯底價格居高不下，最終導(dǎo)致碳化硅半導(dǎo)體功率器件價格遠高于硅基半導(dǎo)體器件，在終端滲透緩慢。良率低也是阻礙行業(yè)發(fā)展的因素之一。、毫米波通信設(shè)備、激光武器、“航天級”固態(tài)探測器、耐超高輻射裝置等軍事裝備中的核心組件，因而受到國際上《瓦森納協(xié)定》的雖然碳化硅襯底和器件工藝逐漸成熟，襯底和器件的價格呈一定下降趨勢，但是目前碳化硅功率器件的價格仍數(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格與碳化硅器件優(yōu)越性能帶來的綜合成本下降間的關(guān)系，短期內(nèi)一定程度上限制了碳化硅器件在功率器件領(lǐng)域的滲透率，使得碳化硅材料即使在部分相對優(yōu)勢領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用仍存較大挑戰(zhàn)。國

際

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成

立

于1987年，于1993年在美國納斯達克上市，貳陸公司成立于1971年，于1987年在美國納斯達克上市，相比于國際巨頭具有數(shù)十年的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，中國由于研發(fā)起步較晚，業(yè)內(nèi)人才和技術(shù)水平仍然較為缺乏，在一定程度上制約了行業(yè)的快速發(fā)展。國內(nèi)相關(guān)設(shè)備廠商市場占有率低，并且國產(chǎn)外延爐廠家多以單腔、水平氣流、手動設(shè)備為主，月產(chǎn)能約為300~500片，還需驗證設(shè)備工藝以及外延工藝，這也制約了行業(yè)發(fā)展。出口，并且對外收購相關(guān)企業(yè)也會受到西方發(fā)達國家的嚴格審查。技術(shù)封鎖導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)難以通過外延式收購進行發(fā)展。行業(yè)發(fā)展存在的機會和挑戰(zhàn)(2)碳化硅（SiC）行業(yè)發(fā)展存在的機遇巨大的市場需求、持續(xù)下行的成本、技術(shù)自主可控的迫切需求和政府政策支持將使行業(yè)迎來發(fā)展契機。碳化硅器件成本下行行業(yè)應(yīng)用的替代前景向好寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)自主可控勢在必行碳化硅市場需求旺盛積極的寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策隨著碳化硅器件在5G通信、電動汽車、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等行業(yè)的應(yīng)用，碳化硅器件市場需求迅速增長，全球碳化硅行業(yè)呈現(xiàn)產(chǎn)能供給不足的情況。為了保證襯底供給，滿足以電動汽車為代表的客戶未來的增長需求，各大

廠

商

紛

紛

開

始

擴

產(chǎn)

。

據(jù)CASAResearch整理，2019年有6家國際巨頭宣布了12項擴產(chǎn)，主要為襯底產(chǎn)能的擴張，其中最大的項目為科銳公司投資近10億美元的擴產(chǎn)計劃，分別在北卡羅來納州和紐約州建造全新的可滿足車規(guī)級標準的8英寸功率和射頻襯底制造工廠。2019年是碳化硅產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵年份。與同類硅基產(chǎn)品相比，雖然碳化硅器件價格仍然較高，但是由于其優(yōu)越的性能及價格持續(xù)走低，其綜合成本優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，客戶認可度持續(xù)提高。由于寬禁帶半導(dǎo)體的軍事用途使得國外對中國實行技術(shù)禁運和封鎖，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展對核心技術(shù)國產(chǎn)自主化、實現(xiàn)供應(yīng)鏈安全可控提出了迫切的需求。近年來從國家到地方相繼制定了一系列產(chǎn)業(yè)政策來推動寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年8月，國務(wù)院印發(fā)《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，提出聚焦高端芯片、集成電路裝備等關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，在新一代半導(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域推動各類創(chuàng)新平臺建設(shè)；2021年3月，十三屆全國人大四次會議通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，提出要大力發(fā)展碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。自主可控趨勢加速了寬禁帶行業(yè)正在通過多種措施降低碳化硅器件成本：在襯底方面，通過增大碳化硅襯底尺寸、升級制備技術(shù)、擴大襯底產(chǎn)能等，共同推動碳化硅襯底成本的降低；在制造方面，隨著市場的開啟，各大器件供應(yīng)商擴產(chǎn)制造，隨著規(guī)模擴大和制造技術(shù)不斷成熟，也帶來制造成本的降低；半導(dǎo)體器件的進程，為寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)帶來了發(fā)展新機遇。在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域，下游應(yīng)用企業(yè)已在調(diào)整供應(yīng)鏈，支持國內(nèi)企業(yè)。數(shù)家國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體企業(yè)的上中游產(chǎn)品陸續(xù)獲得了下游用戶驗證機會，進入了多個關(guān)鍵廠商供應(yīng)鏈，逐步開始了以銷促產(chǎn)的良性發(fā)展。此外，上海、廣東、湖南、山東等多省市均出臺了相關(guān)政策支持碳化硅等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國碳化硅行業(yè)迎來了發(fā)展契機。隨著下游市場的超預(yù)期發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈的景氣程度有望持續(xù)向好，碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)也將直接受益。未來碳化硅器件的價格有望持續(xù)下降，其行業(yè)應(yīng)用將快速發(fā)展。行業(yè)技術(shù)情況國內(nèi)外技術(shù)差距國內(nèi)碳化硅企業(yè)與國外存在明顯發(fā)展差距與國外企業(yè)相比，國內(nèi)企業(yè)從材料到產(chǎn)能、到尺寸到器件應(yīng)用上都與國外存在一定差距，這導(dǎo)致國內(nèi)碳化硅企業(yè)整體競爭力低于國外企業(yè)。國內(nèi)外技術(shù)差距對比國外國內(nèi)村底外延6英寸：2015年產(chǎn)業(yè)化；向8英寸轉(zhuǎn)移<12um：20A成品率>85%>30um：質(zhì)量控制良好二極管：批量生產(chǎn)4英寸：大批量生產(chǎn)；向6英寸轉(zhuǎn)移<12um：成本偏高，質(zhì)量不穩(wěn)定>30um：缺陷密度偏高二極管：批量生產(chǎn)器件封裝MOSFET：三代技術(shù)MOSFET：少量實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵封裝材料與設(shè)備尚未國產(chǎn)沿用硅基封裝結(jié)構(gòu)高溫封裝材料與專用設(shè)備先進封裝結(jié)構(gòu)車規(guī)級測試經(jīng)驗豐富測試經(jīng)驗少，設(shè)備認可度不高測試方法尚在摸索中可靠性應(yīng)用測試標準尚在摸索電動車、新能源發(fā)電等批量應(yīng)用大容量、高頻電力電力應(yīng)用預(yù)研開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)閉環(huán)反饋研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化加速少數(shù)行業(yè)開始滲透、尚未批量應(yīng)用大容量高頻電力電子應(yīng)用預(yù)研開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)條塊分割生態(tài)缺乏IDM龍頭企業(yè)受制于碳化硅長晶速度、加工難度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下，成本成為器件應(yīng)用的難題。擴大應(yīng)用技術(shù)難點(1)碳化硅襯底生長“慢”。碳化硅單晶方面主要存在三點難點：對溫度和壓力的控制要求高，其生長溫度在2300℃以上；長晶速度慢，7天的時間大約可生長2cm碳化硅晶棒；晶型要求高、良率低，只有少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才可作為半導(dǎo)體材料。目前商業(yè)的SiC晶圓的合成方法為PVT法。通過熔融狀態(tài)或熔液狀態(tài)結(jié)晶的方式可以制備出來大部分半導(dǎo)體單晶，但由于碳化硅自身性質(zhì)的原因利用這兩種方法無法生長出單晶。只有當(dāng)壓力＞100GPa、溫度＞3200℃時C和Si才能熔化。而且當(dāng)溫度在1412~2830℃之間時，C在熔化的Si中溶解度僅為0.01%~19%。當(dāng)溫度超過1750℃時，通過在熔體里加入其它金屬（Pr、Tb、Sc等）作為助溶劑，C的溶解度也僅能達到50%，但此時會產(chǎn)生大量Si蒸汽，無法完成生長過程。另外，碳化硅晶片中會混入大量金屬助溶劑，不能用于制造半導(dǎo)體器件。直到1955年制備技術(shù)才有了突破性的進展，菲利普實驗室的科學(xué)家們制備出了尺寸可控、質(zhì)量較高的碳化硅單晶，其雜質(zhì)濃度較低且可控，被稱之為“Lely法”。這種方法是在反應(yīng)器中持續(xù)通入氬氣，同時加熱裝滿碳化硅顆粒的反應(yīng)器到2550℃，碳化硅在氣相中成核并逐漸生長成晶體。這種方法的優(yōu)點是：氣相自發(fā)成核，產(chǎn)率高而且污染少。其缺點是：不能長出大尺寸的碳化硅單晶。碳化硅晶體生長主流工藝比較生長速度（mm/h）生長工藝晶型生長溫度（℃）優(yōu)點缺點主要廠商物理氣相傳輸/PVT半絕緣制造困難、生長厚度受限、沒有一體化設(shè)備Wolfspeed、貳陸、道康寧、Sicrystal、天岳、天科4H&6H2200-25000.2-0.4最成熟最常用高溫化學(xué)氣相沉積/HTPVD可持續(xù)的原料、可調(diào)整的參數(shù)、一體化的設(shè)備4H&6H4H&6H22000.3-1.00.5-2.0速率和缺陷控制Norstel、日本電裝住友等液相外延/LPE金屬雜質(zhì)、硅溶液碳的溶解度有限1460-1800類似提拉法受制于碳化硅長晶速度、加工難度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下，成本成為器件應(yīng)用的難題。擴大應(yīng)用技術(shù)難點(2)國內(nèi)碳化硅外延生長速度慢，鮮見100μm/h以上外延速率工藝報道外延部分，有別于硅基器件，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，外延必不可少，當(dāng)前CVD法制備是應(yīng)用最為廣泛的方式。制備SiC外延層的方法有：液相外延法、分子束外延生長法、磁控濺射法、升華外延法、和CVD法等。其中，液相外延法、分子束外延生長法、CVD法是制備半導(dǎo)體器件所需SiC外延層的方法中較為成熟的方法。對比以上三種方法，MBE法制備的SiC外延層的質(zhì)量最好，缺陷最少，但是生長速率較慢。從工業(yè)化生產(chǎn)方面考慮，由于MBE法和LPE法生長的速率比較慢，無法滿足工業(yè)化生長的需求，而CVD法的生長速率較高，滿足條件。同時，CVD法能夠直接制備出復(fù)雜的半導(dǎo)體器件且CVD系統(tǒng)比較簡單易操作，成本較低。國內(nèi)從事高速外延生長SiC厚膜研究的單位較少，很少出現(xiàn)100μm/h以上外延速率工藝報道。隨著國家節(jié)能減排任務(wù)的加重，采用高效、節(jié)能電子元器件將成為必然趨勢，厚膜SiC外延層在高壓輸電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)V泛使用，因此研究開發(fā)高速外延生長工藝對于國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的意義重大。GaN/SiC及GaN/AlN/SiC外延生長模式示意圖國碳化硅晶體生長主流工藝比較生長工藝優(yōu)點液相外延法/LPE分子束外延生長/MBE化學(xué)氣相沉積/CVD設(shè)備需求簡單、成本較低可在低生長溫度下生長

生長厚外延層時能夠?qū)ι煌木屯庋訉?/p>

長速率精確控制很難控制好外延層的表面形貌、設(shè)備不能同時外延多片晶圓限制批量生產(chǎn)設(shè)備真空要求度高、成

外延層仍存在各種缺陷、缺點本高昂、生長外延層速率慢外延生長工藝仍需不斷優(yōu)化受制于碳化硅長晶速度、加工難度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下，成本成為器件應(yīng)用的難題。擴大應(yīng)用技術(shù)難點(3)碳化硅襯底加工“難”—切片碳化硅單晶的加工過程主要分為切片、薄化和拋光。全球碳化硅制造加工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市場的發(fā)展，要充分實現(xiàn)碳化硅襯底的優(yōu)異性能，開發(fā)提高碳化硅晶片加工技術(shù)是關(guān)鍵所在。切片是碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片表層裂紋損傷，對推動碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的鋸切工具如內(nèi)圓鋸片、金剛石帶鋸，轉(zhuǎn)彎半徑受限，切縫較寬，出片率較低，不適用于碳化硅晶體切割。目前報道的碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié)、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片，其中往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)用于加工碳化硅單晶的方法。不同切割工藝的性能對比切割工磨料切片激光切割冷分離電火花藝材料去除原理切縫寬度/μm磨料研磨脈沖激光改性＜10激光改性＜10脈沖火花放電蝕除～100180～250總厚度變化/μm＜30～25＜1＜25受制于碳化硅長晶速度、加工難度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下，成本成為器件應(yīng)用的難題。擴大應(yīng)用技術(shù)難點(4)碳化硅襯底加工“難”—薄化碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過程中易開裂，導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難，為防止碎片，優(yōu)化單面研磨技術(shù)是未來薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技術(shù)發(fā)展趨勢。碳化硅切片的薄化主要通過磨削與研磨實現(xiàn)。晶片磨削最具代表性的形式是自旋轉(zhuǎn)磨削，晶片自旋轉(zhuǎn)的同時，主軸機構(gòu)帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，同時砂輪向下進給，進而實現(xiàn)減薄過程。自旋轉(zhuǎn)磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪易隨加工時間增加而鈍化，使用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷。加工缺陷的存在嚴重制約加工精度和效率，為了解決這些問題，目前主要的技術(shù)包括超聲振動輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。薄化工藝中晶片材料去除率和磨料粒徑大小、密度、研磨盤轉(zhuǎn)速、研磨壓力等因素密切相關(guān)。超聲振動輔助磨削在線電解修整輔助磨削受制于碳化硅長晶速度、加工難度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下，成本成為器件應(yīng)用的難題。擴大應(yīng)用技術(shù)難點(5)碳化硅襯底加工“難”—拋光碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋，粗拋為機械拋光，目的在于提高拋光的加工效率。碳化硅單晶襯底機械拋光的關(guān)鍵研究方向在于優(yōu)化工藝參數(shù)，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。精拋為單面拋光，化學(xué)機械拋光是應(yīng)用最為廣泛的拋光技術(shù)，通過化學(xué)腐蝕和機械磨損協(xié)同作用，實現(xiàn)材料表面去除及平坦化。晶片在拋光液的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的軟化層在磨粒機械作用下相對容易被除去。作為單晶襯底加工的最后一道工藝，化學(xué)機械拋光是實現(xiàn)碳化硅襯底全局平坦化的常用方法，也是保證被加工表面實現(xiàn)超光滑、無缺陷損傷的關(guān)鍵工藝。不同切割工藝的性能對比化學(xué)磁流變復(fù)合拋光(CM

常壓等離子體輔助磨料拋

光催化輔助化學(xué)機械超聲輔助化學(xué)機械拋光(UCMP)工藝技術(shù)化學(xué)機械拋光(CMP)

電化學(xué)機械拋光(ECMP)ＲF)光(PAP)拋光(PCMP)拋光工藝原理示意對金剛石磨料拋光后的

磁流變液(主要成分羥基鐵晶片進行ECMP，磨料

粉)+H2O2+Fe3O4+

(He∶H2O=98∶2)+氧化等離子體紫外線+SiO2磨料+TiO2+(NaPO

)超聲+膠體二氧化硅磨料+多孔聚氨酯拋光墊+H2O2主要拋光條

傳統(tǒng)膠體二氧化硅磨料+3

6件氧化劑H2O2為CeO2金剛石磨料鈰磨料+H

O

氧化2

2陽極的表面氧化+軟磨料的機械拋光紫外光催化腐蝕+磨料磨

超聲振動+化學(xué)氧化+磨去除原理化學(xué)氧化+磨料磨損化學(xué)腐蝕+磁流變拋光

等離子體氧化+磨料磨損損料磨損加工效果MＲＲ0.1～0.2μm/hMＲＲ3.62μm/hMＲＲ5.31μm/hMＲＲ0.185μm/hMＲＲ0.95μm/hMＲＲ1.057μm/h受制于碳化硅長晶速度、加工難度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下，成本成為器件應(yīng)用的難題。擴大應(yīng)用技術(shù)難點(6)碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘“高”碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長過程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯、層錯等缺陷，其可靠性備受關(guān)注。在密閉高溫腔體內(nèi)進行原子有序排列并完成晶體生長、同時控制微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等參數(shù)指標是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及一系列高難度工藝調(diào)控，工藝壁壘高。對于微管缺陷，2010年以前研究工作比較多?，F(xiàn)階段研發(fā)和商用的SiC襯底微管密度都得到了有效控制，根據(jù)《半絕緣碳化硅單晶襯底的研究進展》一文數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段SiC襯底中位錯密度的典型值為103~104/cm2。當(dāng)前減少SiC晶錠擴展缺陷的最顯著技術(shù)是“重復(fù)a面生長法”，暨準備一個幾乎為零位錯的籽晶，隨后在穩(wěn)定條件下在這個高質(zhì)量的籽晶上進行升華法生長。SiC單晶中微管閉合及短微管形成的圖片和示意圖降低成本技術(shù)路徑擴大晶圓尺寸、改進碳化硅長晶工藝及改進切片工藝將有利于降低成本對于降低成本，從市場上的動態(tài)來看，主要有擴大晶圓尺寸、改進碳化硅長晶工藝及改進切片工藝等三個方向。ColdSplit技術(shù)分割碳化硅晶圓，從而使得單個晶圓的芯片擴大晶圓尺寸改進碳化硅長晶技術(shù)提升長晶速度數(shù)量翻倍根據(jù)Wolfspeed最新資料，從6寸轉(zhuǎn)向8寸晶圓，碳化硅芯片（32mm2）數(shù)量有望從448顆增加到845顆，增加了75%。8英寸SiC襯底的基面和螺紋螺釘密度分別為684cm-2和289cm-2?；瘜W(xué)機械拋光后，表面質(zhì)量得到改善，有66個缺陷。碳化硅外延可以實現(xiàn)略高于1

%

的

厚

度

和

摻

雜

均

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性

。

根

據(jù)GTAT公司的預(yù)估，相對于6寸晶圓平臺，預(yù)計8寸襯底的引入將使整體碳化硅器件成本降低20-35%。而且，6寸SiC晶體厚度為350微米，而最初投放市場的8寸SiC襯底厚度為500微米。盡管晶體成本會略微上漲，但是由于更厚的晶體可以切出更多的襯底片，預(yù)計也有望進一步降低器件生產(chǎn)成本。2021年8月5日，住友官網(wǎng)提到了他們利用一種所謂的MPZ技術(shù)，生長了高質(zhì)量、低成本的SiC襯底和SiC外延片，消除了表面缺陷和基面位錯(BPD)，無缺陷區(qū)（DFA）達到99%，相比PVT法，SiC長晶速度提高了5倍左右，相比普通的LPE法速度提升了200倍。ColdSplit技術(shù)分割碳化硅晶圓，從而使得單個晶圓的芯片數(shù)量翻倍2018年11月12日，英飛凌科技股份公司收購了位于德累斯頓的初創(chuàng)公司SiltectraGmbH。該初創(chuàng)公司開發(fā)了一種創(chuàng)新技術(shù)（ColdSplit），可有效處理晶體材料，同時最大限度地減少材料損耗。與普通鋸切割技術(shù)相比，Siltectra開發(fā)出了一種分解晶體材料的新技術(shù)，能夠?qū)⒉牧蠐p耗降到技術(shù)。該技術(shù)同樣適用于碳SiC，并將在其現(xiàn)有的德累斯頓工廠、以及英飛凌（奧地利）菲拉赫工廠實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。2015年，Siltectra冷切割技術(shù)同時獲得了“紅鯡魚”歐洲前100和世界前100技術(shù)研究大獎，同年，被歐洲半導(dǎo)創(chuàng)新谷評為2015年最佳創(chuàng)業(yè)路演項目。冷切割技術(shù)是迄今為止第一也是唯一能在半導(dǎo)體級實現(xiàn)20到200微米厚度無損切割的技術(shù)。憑借著全能的特性，冷切割技術(shù)能完美運用于硅片切割和研磨市場。因此，此項技術(shù)的潛能也只受限于硅片切割和研磨市場的大小。Siltectra稱其知識產(chǎn)權(quán)組合現(xiàn)在由70個專利族組成，總共擁有200項專利。這些專利的組合涵蓋了與該公司基于激光的晶圓薄化工藝相關(guān)的每項創(chuàng)新。據(jù)Siltectra稱，其冷分裂技術(shù)在幾分鐘內(nèi)就可以以極高的精度將晶圓薄到100微米及以下，并且?guī)缀鯖]有材料損失。住友MPZ（多參數(shù)和區(qū)域控制）溶液生長技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈上游分析—襯底襯底定義與分類根據(jù)電化學(xué)性質(zhì)不同，襯底分為導(dǎo)電型和半絕緣型SiC粉經(jīng)過長晶、加工、切割、研磨、拋光、清洗環(huán)節(jié)最終形成襯底。其中SiC晶體的生長為核心工藝，核心難點在提升良率。襯底定義：沿特定的結(jié)晶方向?qū)⒕w切割、研磨、拋光，得到具有特定晶面和適當(dāng)電學(xué)、光學(xué)和機械特性，用于生長外延層的潔凈單晶圓薄片。襯底分類：從電化學(xué)性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底材料可以分為導(dǎo)電型襯底（電阻率區(qū)間15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm）。這兩類襯底經(jīng)外延生長后分別用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底的對比種類電阻率尺寸外延適用環(huán)境器件應(yīng)用領(lǐng)域半絕緣型碳化硅襯底在半絕緣型碳化硅襯

適用于高頻、制成HEMT等微波射頻器件，應(yīng)用在微波射頻、光電和中低壓功率半導(dǎo)體等領(lǐng)域，主要高電阻率：電阻率≥105Ω·cm以4英寸為主，逐漸向6英寸襯底發(fā)展射頻器件底上生長氮化鎵外延層高溫工作環(huán)境應(yīng)用于5G通信、衛(wèi)星、等領(lǐng)域低電阻率：電阻率區(qū)間為15~30mΩ·cm適用于高壓、高溫制成碳化硅二極管、碳化硅MOSFET等功率器件，主要應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域?qū)щ娦吞蓟枰r底以6英寸為主，8英

在導(dǎo)電型碳化硅襯底寸襯底開始發(fā)展

上生長碳化硅外延層功率器件工作環(huán)境碳化硅襯底市場規(guī)模終端應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)景氣，碳化硅襯底市場規(guī)模穩(wěn)定增長在尺寸、良率、產(chǎn)能等方面中國襯底企業(yè)明顯落后于國外企業(yè)2027年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場規(guī)模將增至21.6億美元2026年全球半絕緣型SiC襯底市場規(guī)模將增至4.33億美元受下游民用領(lǐng)域的持續(xù)景氣，如新能源汽車與光伏，導(dǎo)電型SiC襯底市場規(guī)模不斷擴容。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2018年，全球?qū)щ娦蚐iC襯底市場規(guī)模為1.7億美元，2020年增長至2.8億美元，復(fù)合增長率為26%。預(yù)計2027年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場規(guī)模將增長至21.6億美元。根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，全球6英寸導(dǎo)電型襯底需求從2020年的超8萬片增長至2025年的20萬片，而4英寸產(chǎn)品將逐步退出市場。受益于5G基建加快布局和全球地緣政治動蕩，半絕緣型SiC襯底市場增長空間巨大。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球半絕緣型SiC襯底市場規(guī)模約為2.1億美元，預(yù)計2026年將增至4.33億美元。此外，根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2020年全球4英寸半絕緣型SiC晶片的市場需求約4萬片，6英寸約5萬片，兩者需求占比不相上下；預(yù)計到2025年，4英寸市場需求將減少至2萬片，6英寸成為發(fā)展趨勢。全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場規(guī)模（億美元）全球半絕緣型碳化硅襯底市場規(guī)模（億美元）4.3325.004.5421.603.7820.003.263.5316.202.812.4215.0012.212.522.101.809.071.5210.005.000.006.841.515.123.802.802.321.700.502019年2020年2021年2022E2023E2024E2025E2026E2018年

2019年

2020年

2021年

2022E

2023E

2024E

2025E

2026E

2027E數(shù)據(jù)：Yole，億渡數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)：Yole，億渡數(shù)據(jù)國內(nèi)外襯底差距國內(nèi)襯底企業(yè)技術(shù)水平明顯落后于國外企業(yè)國外主流大廠在尺寸、良率、產(chǎn)能等方面均領(lǐng)先于中國本土襯底企業(yè)，正陸續(xù)推出8英寸襯底。國內(nèi)襯底產(chǎn)品在良率、產(chǎn)能、尺寸上與國外產(chǎn)品仍存在一SiC主流大廠正陸續(xù)推出8英寸襯底，國內(nèi)以4、6英寸為主定差距中國企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性碳化硅襯底和高純半絕緣碳化硅襯底。其中天科合達和天岳先進為主的碳化硅晶片廠商發(fā)展速度較快，市占率提升明顯，三安光電（北電新材）在碳化硅方面也在深度布局。國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)品良率、可靠性和穩(wěn)定性均低于國外企業(yè)，襯底產(chǎn)能規(guī)模也遠低于國外企業(yè)，導(dǎo)電型襯底和半絕緣型襯底尺寸與國外企業(yè)相比均相差一代，這導(dǎo)致國內(nèi)碳化硅器件技術(shù)落后于國外企業(yè)。各企業(yè)在襯底尺寸方面的研發(fā)進度國內(nèi)外技術(shù)、產(chǎn)能差距對比國內(nèi)國外差距襯底尺寸CREE貳陸羅姆天岳先進天科合達材料端良率天岳先進和天科合達良率約50%良率、可靠性和穩(wěn)定性有差距Wolfspeed良率達85%成功研制并規(guī)模

成功研制并規(guī)模

成功研制并規(guī)

成功研制并規(guī)

成功研制并規(guī)?；?寸化生產(chǎn)化生產(chǎn)?；a(chǎn)模化生產(chǎn)生產(chǎn)50-60萬片/年（Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、羅姆）20-30萬片/年（天科合達、山東天岳等）產(chǎn)能產(chǎn)能存在較大差距2012年全球首次成功研制并規(guī)?；a(chǎn)成功研制，

2014年國內(nèi)首次成2019年宣布產(chǎn)

功研制，已規(guī)?；瘡?英寸向6英寸在逐步過渡，成功研制并規(guī)模

成功研制并規(guī)6寸6英寸襯底開始規(guī)模化生產(chǎn)或

以6英寸為主，Wolfspeed者開始建設(shè)產(chǎn)線，2-3年內(nèi)會

已有8英寸樣品出貨，未來有大量產(chǎn)線實現(xiàn)量產(chǎn)，8英寸

5年將達到量產(chǎn)標準。位錯化生產(chǎn)模化生產(chǎn)線建設(shè)計劃生產(chǎn)導(dǎo)電型襯底尺寸相差一代導(dǎo)電型襯底少數(shù)企業(yè)研發(fā)成功。位錯密度5000個/㎝2密度1000個/cm2半絕緣襯底和外延由4英寸向6英寸線轉(zhuǎn)移，4英寸線3-5年逐漸淘汰2015年全球首次成功研制，2019年宣布產(chǎn)線建設(shè)計劃半絕緣型襯底國內(nèi)主要半絕緣襯底集中在2-4英寸成功研制，2019年宣布產(chǎn)線建設(shè)計劃尺寸相差一代8寸未披露未披露2020年啟動研發(fā)二極管SBD量產(chǎn)，三極管MOSFET研發(fā)成功三極管量產(chǎn)，批量用在器

國內(nèi)二極管晚一代，三件上

極管未量產(chǎn)器件襯底競爭格局襯底市場集中度高，國外廠商在兩類襯底市場均占主要份額海外巨頭高度壟斷，國產(chǎn)廠商潛力巨大，襯底市場海外走向8英寸，國內(nèi)呈現(xiàn)后發(fā)優(yōu)勢。不同類型襯底產(chǎn)品在生產(chǎn)技術(shù)存在差距。半絕緣型SiC目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為4-6英寸;導(dǎo)電型碳化硅襯底目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為6英寸。市場集中度高，兩類襯底CR3均高達90%以上。半絕緣型碳化硅襯底市場集中度CR3為98%，Wolfspeed、II-VI、山東天岳三足鼎立；導(dǎo)電型碳化硅襯底市場集中度CR3為90%，其中Wolfspeed占比超50%。國外廠商在兩類襯底市場中均占有主要份額，國內(nèi)廠商在全球半絕緣襯底市場具有一定優(yōu)勢，但在導(dǎo)電型襯底全球市場占比較小。半絕緣型襯底市場中山東天岳占比30%；導(dǎo)電型天科合達和山東天岳占比1.7%和0.5%。2020年全球半絕緣型碳化硅襯底份額情況2020年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底份額情況2020年全球碳化硅襯底市場份額情況山東天岳,0.50%其它,2%其他,7.80%天科合達,1.70%其它,16%天岳先進,30%天岳先進,3%Ⅱ-Ⅵ,35%SiCrystal,12%WolfSpeed,45%天科合達,3%WolfSpeed,62%SiCrystal,20%Ⅱ-Ⅵ,16%WolfSpeed,33%Ⅱ-Ⅵ,13%數(shù)據(jù)：Yole，Gartner，CASA，億渡數(shù)據(jù)整理襯底發(fā)展趨勢未來碳化硅襯底將向大尺寸發(fā)展，并且價格將下降未來在技術(shù)進步和規(guī)模經(jīng)濟推動下，產(chǎn)線將向大尺寸轉(zhuǎn)移，并且襯底價格會進一步下探。產(chǎn)線向大尺寸轉(zhuǎn)移SiC襯底價格將下降全球SiC市場6英寸量產(chǎn)線正走向成熟，領(lǐng)先公司已進軍8英寸市場。目前包括羅姆、Ⅱ-Ⅵ、Wolfspeed已具備成熟6英寸SiC襯底產(chǎn)線，正在向8英寸市場進行開拓，例如，Wolfspeed的第一條8英寸SiC產(chǎn)線已在2022年Q2開始生產(chǎn)，標志著全球第一條8英寸SiC產(chǎn)線的投產(chǎn)。襯底直徑及大直徑襯底占比將不斷增加，助力全產(chǎn)業(yè)鏈降本。預(yù)計未來30年，大尺寸襯底的比例將不斷增加，在大部分襯底提供商具備新型大尺寸量產(chǎn)能力，一輪尺寸更新周期迭代完成后，襯底單位面積價格會迎來相對快速的降低。國內(nèi)正在開發(fā)項目以6英寸為主。目前雖然國內(nèi)大部分公司還是以4寸產(chǎn)線為主，但是產(chǎn)業(yè)逐步向6英寸擴展，隨著6英寸配套設(shè)備技術(shù)成熟后，國產(chǎn)SiC襯底技術(shù)也在逐步提升大尺寸產(chǎn)線的規(guī)模經(jīng)濟將會體現(xiàn)，目前國內(nèi)6英寸的量產(chǎn)時間差距縮小至7年。更大的晶圓尺寸可以帶來單片芯片數(shù)量的提升、提高產(chǎn)出率，以及降低邊緣芯片的比例，研發(fā)和良率損失部分成本也將保持在7%左右，從而提升晶圓利用率。SiC襯底價格會隨著尺寸增加有所下降，同時進一步帶來銷量的穩(wěn)步上升。目前襯底發(fā)展最重要的方向趨勢是擴大直徑，這會降低襯底生產(chǎn)成本，進而降低售價，價格的下降也會加速SiC襯底在各領(lǐng)域內(nèi)的滲透。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)預(yù)測，SiC襯底和外延隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步成熟（良率提升）和產(chǎn)能擴張（供給提升），預(yù)計襯底價格將以每年8%的速度下降。從4英寸、6英寸到8英寸的芯片數(shù)量變化SiC襯底價格發(fā)展趨勢（RMB/cm2）60.157.948.140.235.230.1襯底尺寸4英寸6英寸8英寸Die顆數(shù)1994488452020年2025E2030E2035E2040E2045E邊緣Die占比（%）25%14%7%數(shù)據(jù)：CASA，《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線圖（2018）》，億渡數(shù)據(jù)整理襯底產(chǎn)能布局(1)目前國內(nèi)襯底產(chǎn)能布局以4-6英寸為主，主要因為尚未突破8英寸技術(shù)目前已有25家企業(yè)已在襯底環(huán)節(jié)布局，新項目投資額約為300億元。公司已有產(chǎn)能項目投資額項目所在地在建產(chǎn)能同光晶體

2020年1-8月供貨1.1萬片10億河北已建成年產(chǎn)10萬片的4-6英寸襯底廠商，預(yù)計2022年產(chǎn)能達到10萬片擬IPO募資-年產(chǎn)12萬片6英寸SiC晶片，其中6英寸導(dǎo)電型SiC晶片約為8.2萬片，6英寸半絕緣型SiC晶片約為3.8萬片；SiC襯底生產(chǎn)線，項目計劃于2022年年初完工投產(chǎn)，建成后可年產(chǎn)SiC襯底12萬片；另深圳投資22億元SiC襯底及外延片項目，天科合達占股25%江蘇天科合達項目2019年完工，可實現(xiàn)年產(chǎn)4-8英寸

IPO募資9.5億(已終天科合達SiC襯底6萬片止上市)IPO-20億定增-4.69億山東天岳

6英寸半絕緣型和6英寸導(dǎo)電性襯底已形成小批量銷售，688234

SiC襯底2020年產(chǎn)量4.75萬片上海臨港吳興項目2022年試生產(chǎn)，預(yù)計2026年100%達產(chǎn)，主要生產(chǎn)6英寸導(dǎo)電型SiC半導(dǎo)體材料定增-擬建SiC半導(dǎo)體材料項目，12萬片/年SiC材料東尼電子603595天通股份

子公司凱成半導(dǎo)體從事SiC晶體材料的生產(chǎn)研發(fā)，目600330

前業(yè)務(wù)處于前期中試產(chǎn)階段露笑科技

一期2021年9月份可實現(xiàn)6英寸導(dǎo)電型SiC襯底片的小002617

批量試生產(chǎn)100億合肥市第一期預(yù)計投資21億，達產(chǎn)后年產(chǎn)24萬片導(dǎo)電型SiC襯底、5萬片外延片年產(chǎn)10萬片4-6英寸n型SiC單晶片、5萬片4-6英寸高純半絕緣型SiC單晶片中電科2所超芯星山西南京公司已實現(xiàn)6英寸SiC單晶襯底生產(chǎn)年產(chǎn)已達10萬片，銷售3萬片以上，預(yù)計2021年銷售4萬片。4-6英寸SiC襯底片完全掌握“切磨拋”工藝爍科晶體山西8英寸SiC襯底片研發(fā)成功，即將量產(chǎn)，預(yù)計在建項目投產(chǎn)后實現(xiàn)年產(chǎn)能15萬片，全球前三南通：可年產(chǎn)石墨烯碳納米電熱膜1200萬延米、4英寸N型SiC晶體襯底片5萬片、6英寸N型SiC晶體襯底片5萬片、4英寸高純度半絕緣型SiC晶體襯底片1萬片、4/6英寸SiC電力電子芯片6萬片。青島：5萬片4英寸SiC晶體襯底片，5000片4英寸高純度半絕緣型SiC晶體襯底片。滁州：SiC晶體和襯底片項目南通15.5億，滁州7億，青島10億中科鋼研

4英寸導(dǎo)電型及高純半絕緣型SiC晶體及襯底4-6英寸導(dǎo)電型和半絕緣襯底片，2021年6月產(chǎn)線建國宏中能7億山東年產(chǎn)11萬片SiC襯底片項目2021年1月啟動試生產(chǎn)。成，全部投產(chǎn)后，SiC襯底年產(chǎn)能超10萬片/年襯底產(chǎn)能布局(2)目前國內(nèi)襯底產(chǎn)能布局以4-6英寸為主，主要因為尚未突破8英寸技術(shù)目前已有25家企業(yè)已在襯底環(huán)節(jié)布局，新項目投資額約為300億元。公司已有產(chǎn)能項目投資額項目所在地在建產(chǎn)能建設(shè)年產(chǎn)15萬片第三代半導(dǎo)體SiC襯底及年產(chǎn)200萬片用于Mini/Micro-LED顯示技術(shù)的大尺寸藍寶石襯底研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目博蘭特10億金華華大半導(dǎo)體10.5億浙江寧波計劃年產(chǎn)8萬片4-6寸SiC襯底及外延片、SiC基氮化鎵外延片已完成6英寸第三代半導(dǎo)體襯底制備，正在進行8英寸研制項目達產(chǎn)后可形成年產(chǎn)高導(dǎo)晶片近10萬片，高純半絕緣晶體1000公斤的產(chǎn)能；PTV-SiC晶體生長成套設(shè)備年產(chǎn)銷200臺套科友半導(dǎo)體天達晶陽10億哈爾濱7.3億河北清河一期年產(chǎn)4-6英寸SiC晶片2.8萬片(2021年6約投產(chǎn)運營)，二期年產(chǎn)6-8英寸SiC晶片9.2萬片年產(chǎn)SiC晶圓片15萬片。達產(chǎn)后預(yù)計年產(chǎn)4英寸SiC晶微芯長江

圓片3萬片、6英寸12萬片。2021年Q3完成廠房建設(shè)，年底試銷13.5億21億安徽銅陵吉林長春五豐半導(dǎo)體將建一條月產(chǎn)5000片的4英寸砷化鎵、氮化鎵、磷化銦晶圓生產(chǎn)線年產(chǎn)6萬片6英寸SiC晶片等6個子項目溢泰半導(dǎo)體

一期項目建成目前是國內(nèi)少數(shù)幾家掌握6英寸導(dǎo)電型SiC長晶技術(shù)的企業(yè)；SiC年產(chǎn)能已達2萬片，未來三年將達到8萬片2022年，中電化合物的目標是在現(xiàn)有的生產(chǎn)規(guī)?；A(chǔ)上，產(chǎn)能提高三倍，產(chǎn)值提升3倍，做8寸SiC先鋒。中電化合物優(yōu)晶6英寸SiC產(chǎn)線昆山北京21年底SiC生產(chǎn)線將擴容至100臺，年產(chǎn)10萬片6英寸產(chǎn)品建設(shè)4-6英寸液相法SiC晶體中試生產(chǎn)線晶格領(lǐng)域青島瀚海7.5億9億建設(shè)300臺SiC長晶爐，后期建設(shè)SiC外延片項目；預(yù)計在2022年9月達產(chǎn)荃芯4.1億50億山西銅川山西太原SiC長晶項目300臺單晶生產(chǎn)設(shè)備，具備年產(chǎn)7.5萬片SiC單晶襯底的產(chǎn)能整個項目建成后，將具備年產(chǎn)10萬片4-6英寸N型SiC單晶晶片、5萬片5-6英寸高純半絕緣型SiC單晶晶片的生產(chǎn)能力中國電科產(chǎn)業(yè)鏈上游分析—外延外延片定義與分類碳化硅襯底無法直接加工，需要在襯底上面再生長一層薄膜碳化硅襯底無法直接加工，需要生長一層薄膜后在進行加工，導(dǎo)電型襯底生長出同質(zhì)外延層，半絕緣型襯底生長出異質(zhì)外延層。1、定義：外延工藝是指在碳化硅襯底的表面上生長一層質(zhì)量更高的單晶材料，在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，稱為異質(zhì)外延；在導(dǎo)電型碳化硅襯底表面生長一層碳化硅外延層，則稱為同質(zhì)外延。2、重要性：外延工藝是整個產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝。由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能影響非常大，但是外延的質(zhì)量又受到晶體和襯底加工的影響，處在一個產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。3、關(guān)鍵參數(shù)：碳化硅外延材料的最最關(guān)鍵參數(shù)是厚度和摻雜濃度。外延的參數(shù)其實主要取決于器件的設(shè)計，根據(jù)器件的電壓等級不同，外延參數(shù)也不同。4、缺陷的影響：碳化硅晶體生長的過程中會不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊?？刂铺蓟柰庋尤毕菔侵苽涓咝阅芷骷年P(guān)鍵，缺陷會對碳化硅功率器件的性能和可靠性有嚴重影響。TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會引發(fā)器件性能的退化。堆垛層錯、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷，一旦出現(xiàn)在器件上，器件就會測試失敗，導(dǎo)致良率降低。SiC外延缺陷對器件的影響SiC外延缺陷對器件的影響摻雜濃度(cm^3)電壓600V擊穿電壓750V厚度(μm)缺陷/器件SBDMOSFET，JFETpin，BJT，晶閘管，IGBT2.5E1661015306095145TSD(無蝕坑)無無無，但會引發(fā)局部載流子壽命降低1200V1700V3300V6500V10000V15000V1500V2125V4125V8125V12500V18750V1E167E153E1TED(無蝕坑)無無無，但會引發(fā)局部載流子壽命降低雙極退化(導(dǎo)通電阻及漏電流增加)BPD(包括界面位錯、半環(huán)換陣列)無，但會引發(fā)體二極管退化無，但會引發(fā)體二極管退化內(nèi)生堆垛層錯胡蘿卜缺陷、三角形缺陷掉落物缺陷VB降低(20%~50%)VB降低(30%~70%)VB降低(50%~90%)VB降低(20%~50%)VB降低(30%~70%)VB降低(50%~90%)VB降低(20%~50%)VB降低(30%~70%)VB降低(50%~90%)1.2E157E144E14外延片制作方法CVD法是目前使用最廣泛的碳化硅外延片制作方法1、外延是一種常用的單晶薄膜制備技術(shù)，和Si器件工藝有所區(qū)別，幾乎所有的SiC電力電子器件工藝均在4H-SiC同質(zhì)外延層上實現(xiàn)，襯底只是起到支撐和導(dǎo)電的作用?，F(xiàn)階段SiC薄膜外延的方法主要包括：化學(xué)氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等。2、化學(xué)氣相沉積（CVD）是最為普及的4H-SiC外延方法。其優(yōu)勢在于生長過程中氣體源流量、反應(yīng)室溫度以及壓力均可以有效控制，大幅降低了外延過程中的隨機因素，工藝穩(wěn)定性好；外延過程中通過調(diào)整各種氣體的流量可以精準控制外延層的厚度、摻雜濃度以及摻雜類型，工藝可控性強。廣東天域采用CVD法生產(chǎn)碳化硅外延片，在中國擁有最多的碳化硅外延爐-CVD。3、對比液相外延法/LPE，分子束外延生長/MBE法和化學(xué)氣相沉積/CVD，MBE法制備的SiC外延層的質(zhì)量最好，缺陷最少，但是生長速率較慢。在工業(yè)化生產(chǎn)方面考慮，由于MBE法和LPE法生長的速率比較小，無法滿足工業(yè)化生長的需求，而CVD法的生長速率較高，滿足條件。同時，CVD法能夠直接制備出復(fù)雜的半導(dǎo)體器件且CVD系統(tǒng)比較簡單易操作，成本較低。SiC外延外延層三種生長方式優(yōu)缺點對比CVD法制作SiC外延片過程材料加熱升溫通入反應(yīng)氣體沉積生長襯底材料表面生長SiC襯底材料清洗SiH

和C

H8SiC晶體優(yōu)點缺點43源氣體被熱分解成單個原子或一兩個原子團，通過擴散、遷移過程連續(xù)不斷地到達襯底表面而生成所需要的薄膜材料利用載氣(H2)將反應(yīng)源氣體(如SiH

、C

H843等)輸送到生長室內(nèi)的熱區(qū)很難控制好外延層的表面形貌、設(shè)備不能同時外延多片晶圓限制批量生產(chǎn)設(shè)備需求簡單、成本較低液相外延法/LPE常用設(shè)備熱壁式水平外延爐硅烷、甲烷、乙烯等氮氣N2和三甲基鋁（TMA）1500~1650℃常用反應(yīng)前驅(qū)氣體摻雜源可在低生長溫度下生長不同的晶型