碳化硅定义、特点、市场空间及产业链梳理

我来简单介绍一下碳化硅定义、特点、市场空间及产业链。

1.碳化硅（SiC）简介及特点

什么是碳化硅？ 由碳元素和硅元素组成，本质上是化合物半导体材料，和氮化镓（GaN）同属于宽禁带半导体（国内分类为第三代半导体）范畴，在部分领域（如：功率器件） 可对前两代半导体材料实现替代，但无法实现完全替代。

碳化硅材料特点： 同第一代以硅、锗为代表的单元素半导体和第二代以砷化镓、磷化铟为代表的化合物半导体相比，碳化硅具有卓越的物理性质，可满足在高压（高击穿电场强 度、高禁带宽度）、高温（高热导率、高禁带宽度）、高频（高饱和电子漂移速率）等环境下工作的需求并拥有更高的功率密度和更低的导通损耗。

同第四代以氧化稼、金刚石为代表的超宽禁带半导体相比，碳化硅的技术相对更为成熟，良率处于较快提升期，成本下降趋势明显，商业化前景广阔。而氧化 稼虽然拥有更宽的禁带，但其导热性差并且面临P型掺杂难度大等问题，目前仍处于发展的早期阶段，对良率和成本的控制较差；根据日本NCT公司预测， 2030年氧化稼晶圆的市场规模约为4.2亿美元，从规模上看短期和中期不具备对碳化硅的大规模替代。金刚石在材料、器件等领域仍有众多问题需要攻克，目 前不具备商业化条件。

2.市场空间

碳化硅：根据Yole，2021年全球碳化硅功率半导体市场规模为10.9亿美元，2027年该规模为62.97亿美元，2021-2027年总市场规模CAGR为34%。细分来看，2021年应用于汽车领域的规模为6.85亿美元，占比约63%，2027年该规模为49.86亿美元，占比约79%； 2021-2027年汽车领域CAGR为39%；由于 传统燃油车缺乏应用场景和需求，因此新能源车是碳化硅最主要的应用领域，也是增速最快的领域。 氮化镓：2020年全球氮化镓器件市场规模约8.91亿美元，2026年约24亿美元，2020-2026年CAGR为18%。

3.产业链分析

产业链上游为材料厂商，可进一步细分为衬底和外延；中游为器件厂商，具体包括碳化硅器件的设计、制造、封测；下游为各领域中的应用厂商，包括新能源 车企、光伏企业等。 一种材料，两种衬底：碳化硅衬底可分为导电型衬底和半绝缘型衬底，在前者的基础上可生成碳化硅同质外延片并最终用于功率器件的制造，而在后者的基础 上只能生成氮化镓外延片并最终用于射频器件的制造。 原则上衬底和外延使用同一种材质（避免晶格失配，提高外延膜质量），但是由于氮化镓衬底制备的高成本，目前氮化镓器件普遍采用异质衬底制备，主要包 括蓝宝石、碳化硅、硅。 根据Yole，2026年全球氮化镓器件市场规模约为24亿美元，2020-2026年CAGR为18%，规模和增速较碳化硅功率器件偏低，考虑到蓝宝石和硅等其他衬底的 应用分散了半绝缘型碳化硅衬底的市场，我们认为以导电型衬底为基础的功率器件路线是更优质的赛道。

衬底

衬底是整个产业链中价值量占比最大的环节，占碳化硅器件成本的比重达47%。 从制造流程上看，首先需要将高纯碳粉和硅粉按比例在高温下进行合成为碳化硅粉，再通过特定工艺进行晶体生长形成碳化硅晶锭并进一步加工形成晶棒，在 晶棒的基础上进行切割形成晶片，最后经过研磨、抛光、清洗等步骤形成衬底。 从衬底制备的上游看，碳粉和硅粉是核心材料，但占原材料采购金额的比重较低，为10%左右，约70%以上的原材料成本被石墨件（寿命1-2个月）、石墨毡 （寿命3-4个月）等耗材（主要为热场和保温材料）占据。 硅粉方面，相关海外厂商主要为德国瓦克；碳粉方面，相关海外厂商主要为日本东洋碳素和德国西格里；目前国内厂商在这两个领域均有所建树，可以保证材 料的自主可控，天岳先进的碳粉采购100%为国产。石墨件和石墨毡方面海外厂商优势更加明显，尤其在石墨毡领域，国内衬底厂商几乎完全依赖进口。

外延

外延环节占碳化硅器件成本的比重约为23%，同衬底相比，技术壁垒偏低。 外延指在衬底上生长一层单晶材料，使晶格排列整齐，降低缺陷密度，提高功率器件的稳定性。 外延厚度决定电压，1μm厚度对应100V左右。电压越高，厚度增加，制备难度越大，通常600V的低压器件需要6 μm厚的外延层，1200-1700V的中压器件需要 10-15 μm的外延层。 工艺方面，CVD（化学气相沉积法）是最普遍的制备方法，其原理是将衬底加热后通入反应源气体SiH4和C3H8，当反应源气体被热分解成单个原子或原子团后， 通过扩散和迁移最终于衬底表面沉积薄膜。

器件

器件包括设计、制造、封装三大环节，三大环节占碳化硅器件成本比重约为25%-30%。 从产品种类来看，主要包括SiC二极管、SiC MOSFET两种分立器件、集SiC二极管同SiC MOSFET于一体的SiC模块以及将SiC二极管同Si IGBT集成的SiC混合模 块四种产品。 SiC MOSFET主要用来替代Si IGBT，目前有2种技术路线：平面型（Wolfspeed、意法半导体主推）和沟槽型（英飞凌和罗姆主推）；安森美的前三代技术均为 平面型，下一代将会进入沟槽型的设计。目前平面型的技术更为成熟，是市场主流。对比Si MOSFET的发展，沟槽型比平面型有显著的性能提升，但是目前由 于SiC MOSFET栅极氧化层在实际工作中易被击穿且可靠性较差，沟槽型并没有显示出优势；而平面型仍能在现有技术上不断迭代，性能提升仍有空间；从长 期看，沟槽型将会成为主流和各大厂商发力的重点。