碳化硅時代來了。
第三代半導(dǎo)體終迎爆發(fā)
碳化硅作為第三代半導(dǎo)體，其實(shí)并不是新鮮概念。
碳化硅作為材料已有百年歷史，商業(yè)化也已超過30多年。1824年，瑞典科學(xué)家在人工合成金剛石的實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)了碳化硅這一物質(zhì)，其硬度比鉆石小但光彩更亮；1955年，LELY提出生長高品質(zhì)碳化硅的方法，從此將碳化硅作為重要的電子材料；1987年，科銳制造了出世界上第一塊商用碳化硅襯底，并把它應(yīng)用在LED領(lǐng)域；2001年，英飛凌和科銳分別推出首款小型碳化硅肖特基二極管；2011年，科銳推出首款商用碳化硅功率MOSFET。
當(dāng)前Si半導(dǎo)體已逼近物理極限，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體成為后摩爾時代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，SiC材料擁有禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，適用于高電壓、高頻率場景，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。
SiC功率器件相較于Si器件具有明顯優(yōu)勢，其一是能量損耗低：SiC具有極低的導(dǎo)通電阻，同規(guī)格SiC-MOS相較Si-IGBT總能量損失可降低約80%。其二是器件尺寸小：SiC損耗低且電流密度高，同規(guī)SiC-MOS僅為Si-MOS原尺寸的1/10。其三是開關(guān)頻率高：SiC不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，能大幅提高實(shí)際用的開關(guān)頻率。其四是工作溫度高：SiC擁有更高的熱導(dǎo)率，器件散熱更加容易，能夠降低對散熱系統(tǒng)的需求，利于終端輕量化和小型化。
碳化硅被正式引爆獲得廣泛關(guān)注的是2018年，馬斯克首次宣布在特斯拉Model3的主驅(qū)逆變器里使用碳化硅MOSFET以替代傳統(tǒng)的硅基IGBT，奠定了碳化硅“上車”的里程碑。此后，比亞迪、小鵬、吉利紛紛效仿，開始布局碳化硅器件。
產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加速
下游新能源發(fā)展對高頻、大功率射頻及電力電子需求的快速增長，極大推動了碳化硅的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
碳化硅器件在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中主要應(yīng)用在電機(jī)控制器（電驅(qū)）、車載充電機(jī)OBC、DC/DC變換器以及充電樁，碳化硅器件相比硅基器件有更優(yōu)越的物理性能，體積小，性能優(yōu)越，節(jié)能性強(qiáng)，還順帶緩解了續(xù)航問題，更適應(yīng)新能源汽車增加續(xù)航里程、縮短充電時長、提高電池容量、降低車身自重的需求。
從2021年起，碳化硅器件便進(jìn)入供應(yīng)短缺狀態(tài)，至今依然沒有得到完全緩解。其中，汽車對碳化硅器件應(yīng)用量的提升，成為拉動行業(yè)增長的主要因素。2023年，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)更是經(jīng)歷了快速發(fā)展的一年。根據(jù)EV芯聞，截至2023年上半年，全球已有40款碳化硅車型進(jìn)入量產(chǎn)交付，上半年全球碳化硅車型銷量超過120萬輛。
根據(jù)NE時代數(shù)據(jù)，1-12月國內(nèi)上險乘用車主驅(qū)碳化硅模塊滲透率約為10.7%，下半年800V車型中碳化硅滲透率顯著提升：6-12月800V車型中碳化硅車型占比分別為15%/18%/29%/35%/39%/45%，12月問界M9、理想MEGA等多個碳化硅車型上市。
不過SiC晶體生長慢且加工難，提升良率和產(chǎn)能是控制成本的關(guān)鍵。SiC器件成本是Si器件的3倍左右，是制約SiC行業(yè)快速發(fā)展的核心因素之一，造成該問題的主要原因在于SiC長晶速度緩慢且加工難度大，從原材料到晶圓轉(zhuǎn)換率僅為50%，目前SiC MOSFET的成本與同類Si IGBT分立器件相比仍然有較大差距，這阻礙了SiC器件大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化推廣。
好在盡管當(dāng)前SiC-MOS成本約為Si-IGBT的3倍，但根據(jù)英飛凌測算，SiC-MOS可以減少6-10%電力損耗，電池成本節(jié)省將超過SiC器件增加的成本，最高可以節(jié)省6%的綜合系統(tǒng)成本。同時，SiC優(yōu)勢在800V平臺中將進(jìn)一步放大，以小鵬G9為例，其800V高壓SiC平臺相較400V平臺續(xù)航提升5%，可實(shí)現(xiàn)充電5分鐘續(xù)航超過200Km。
而且當(dāng)前海外對華科技限制持續(xù)加碼，產(chǎn)業(yè)鏈自主可控刻不容緩，SiC作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的重要新材料，國內(nèi)外SiC技術(shù)代差約為5-8年，相較硅基半導(dǎo)體，具備實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代機(jī)遇，國家重視程度將不斷上升。
專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)為，2024年碳化硅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展會隨著高壓快充趨勢及碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈降本而加速。
由于高壓快充是電車的大勢所趨，未來會逐漸下沉到更低區(qū)間的價格帶，高壓快充背景下，電車對碳化硅需求的迫切性預(yù)計對應(yīng)進(jìn)一步提高。另一方面，隨著產(chǎn)能的逐步釋放、8英寸量產(chǎn)的不斷成熟、碳化硅長晶及加工工藝的不斷改進(jìn)、進(jìn)而碳化硅行業(yè)良率的提升，尤其是在國產(chǎn)廠商紛紛入局后，可能會進(jìn)一步加速碳化硅的降本。
未來在技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模經(jīng)濟(jì)共同作用下，產(chǎn)線將向8英寸轉(zhuǎn)移，襯底尺寸擴(kuò)徑將助力產(chǎn)業(yè)鏈降本，預(yù)計襯底價格將以每年8%的速度下降，也將進(jìn)一步加速SiC發(fā)展?jié)B透。
市場空間有多大？
以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應(yīng)用市場。襯底根據(jù)電學(xué)性能不同分為半絕緣型和半導(dǎo)電型，分別應(yīng)用到不同的應(yīng)用場景上，在新能源汽車、光伏以及軌道交通等領(lǐng)域具備廣闊的替代空間。
其中半絕緣型碳化硅主要用在射頻器件上，主要為面向4G/5G通信基站和新一代有源相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用的功率放大器。半導(dǎo)電型碳化硅主要用在功率器件上，主要面向電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等高壓高溫高頻場景。
Yole數(shù)據(jù)顯示，2022年碳化硅器件市場規(guī)模為19.7億美元，其中半導(dǎo)電型碳化硅功率器件市場規(guī)模為17.9億美元，半絕緣型碳化硅射頻器件市場規(guī)模為1.8億美元。
根據(jù)Yole預(yù)測，2022年碳化硅功率器件市場規(guī)模為18億美元，2028年有望達(dá)到89億美元，22-28年CAGR高達(dá)31%。碳化硅功率器件可應(yīng)用于汽車、能源、交通、工業(yè)等多個領(lǐng)域，其中汽車占據(jù)主導(dǎo)地位，市場規(guī)模占比超過七成，2022年市場規(guī)模為13億美元，2028年有望達(dá)到66億美元，22-28年CAGR高達(dá)32%。半絕緣型碳化硅射頻器件市場規(guī)模有望達(dá)到22.9億美元，年化增速達(dá)到52.79%。
此外在光伏發(fā)電應(yīng)用中，使用SiC材料可將轉(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。得益于SiC功率器件帶來的降本增效優(yōu)勢，根據(jù)CASA預(yù)測，在2025年碳化硅功率器件占比將達(dá)到50%，未來將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長態(tài)勢。
2027年全球光伏SiC功率器件市場規(guī)模將達(dá)4.2億美元。2021年全球光伏碳化硅功率器件市場規(guī)模為1.54億美元，隨著SiC器件滲透率持續(xù)提升，預(yù)計2027年全球光伏SiC功率器件市場規(guī)模將增加至4.23億美元，2021-2027年年復(fù)合增長率為18%。
相關(guān)企業(yè)有哪些？
碳化硅從生產(chǎn)到應(yīng)用的全流程歷時較長。以碳化硅功率器件為例，從單晶生長到形成襯底需要耗時1個月，從外延生長到晶圓前后段加工完成需要耗時6-12個月，從器件制造再到上車驗(yàn)證更是需要1-2年時間，對于碳化硅功率器件IDM廠商而言，從工業(yè)設(shè)計、應(yīng)用等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為收入增長的周期非常漫長，汽車行業(yè)一般需要4-5年之久。
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈附加值向上游集中，襯底和外延的成本占比最高。根據(jù)CASA整理的數(shù)據(jù)，產(chǎn)業(yè)鏈中，碳化硅襯底和外延的成本分別占整個器件成本的47%和23%，為產(chǎn)業(yè)鏈中價值量最大的兩個環(huán)節(jié)，相比硅基器件、價值量顯著倒掛。
建議關(guān)注技術(shù)底蘊(yùn)扎實(shí)且產(chǎn)能擴(kuò)充順利的SiC產(chǎn)業(yè)鏈公司天岳先進(jìn)、時代電氣、斯達(dá)半導(dǎo)、新潔能、晶盛機(jī)電、晶升股份、三安光電。
其中天岳先進(jìn)是國內(nèi)領(lǐng)先的SiC襯底生產(chǎn)企業(yè)。公司當(dāng)前已具備4/6英寸半絕緣型和導(dǎo)電型SiC襯底量產(chǎn)能力，自2020年起，公司開始著力研究8英寸導(dǎo)電型SiC襯底，其中，2019-2022年公司在全球半絕緣型SiC襯底市場市占率連續(xù)四年保持全球前三。
2022年7月，公司與某戰(zhàn)略客戶簽訂13.93億元長期協(xié)議，將在2023-2025年向該客戶供應(yīng)6英寸導(dǎo)電型襯底，2023年公司與英飛凌簽訂長期供應(yīng)協(xié)議，將向英飛凌供應(yīng)6英寸SiC襯底。產(chǎn)能方面，公司已在山東濟(jì)南、濟(jì)寧建立碳化硅襯底生產(chǎn)基地，主要生產(chǎn)半絕緣型襯底，同時，公司IPO募集25億在上海臨港建設(shè)6英寸導(dǎo)電型SiC襯底生產(chǎn)基地，22Q3年一期試生產(chǎn)，預(yù)計2026年達(dá)產(chǎn)，達(dá)產(chǎn)后新增SiC襯底30萬片/年。
斯達(dá)半導(dǎo)是國產(chǎn)IGBT模塊龍頭，目前SiC業(yè)務(wù)進(jìn)展順利，公司在芯片端實(shí)施SiC芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目后，將形成年產(chǎn)6萬片6英寸SiC芯片生產(chǎn)能力，擁有自主的車規(guī)級SiCMOSFET芯片，有助于公司加速SiC芯片技術(shù)迭代升級，提高車規(guī)級SiC模塊的產(chǎn)品競爭力，加強(qiáng)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性。截至2023年上半年，該項目累計投資額度已經(jīng)達(dá)到4.24億元，占預(yù)計投資總額的21.22%。
模塊端，公司建設(shè)全SiC功率模塊產(chǎn)線，將形成年產(chǎn)8萬顆車規(guī)級全碳化硅功率模組生產(chǎn)能力，進(jìn)一步提高公司在車規(guī)級SiC模塊的供貨保障能力，助力公司抓住SiC市場爆發(fā)機(jī)遇，快速提高市占率。
新潔能SiC和GaN產(chǎn)品持續(xù)推出，公司已開發(fā)完成1200V 23mohm~62mohm SiC MOSFET系列產(chǎn)品，新開發(fā)650V SiC MOSFET工藝平臺，用于新能源汽車OBC、光伏儲能、工業(yè)及自動化等行業(yè)，相關(guān)產(chǎn)品通過客戶驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)小規(guī)模銷售；650V/190mohmE-Mode GaN HEMT產(chǎn)品開發(fā)完成，產(chǎn)品各項電學(xué)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，項目產(chǎn)品通過可靠性考核，100V/200VGaN產(chǎn)品開發(fā)中。
晶升股份是國內(nèi)碳化硅長晶爐龍頭，產(chǎn)品已進(jìn)入三安光電、比亞迪半導(dǎo)體、東尼電子、天岳先進(jìn)等下游核心客戶。2024年初以來，華為智選S7、問界M9、小米汽車等800V碳化硅車型密集發(fā)布，預(yù)計2024年碳化硅在新能源電車中的滲透率將呈翻倍增長。2026年國內(nèi)碳化硅襯底有望達(dá)到500萬片，是2022年國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)能的10倍，公司將充分受益碳化硅擴(kuò)產(chǎn)紅利。
晶盛機(jī)電2024年碳化硅襯底業(yè)務(wù)將加速放量。公司“年產(chǎn)25萬片6英寸、5萬片8英寸碳化硅襯底片項目”已啟動。8英寸碳化硅襯底片已批量生產(chǎn)，可提供500um和350um兩種厚度的8英寸襯底片。6英寸和8英寸量產(chǎn)晶片的核心位錯可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)TSD<100個/cm2，BPD<400個/cm2，行業(yè)領(lǐng)先。
來源：全景網(wǎng)