第三代半导体发展现状、优势及产业链梳理

近年来，第三代半导体发展迅速。

由于第一代及第二代半导体材料自身的物理性能局 限，越来越无法满足新型领域如新能源汽车、智能电网、5G 通信等。根据 Yole（悠乐咨 询《全球碳化硅市场 2022 年度报告》）数据，2022 年全球第三代半导体材料碳化硅（SiC） 渗透率为 3%。 1) 第一代半导体材料以硅（Si）、锗（Ge）为代表，广泛应用于低压、低频、低功率 的晶体管和探测器中，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的； 2) 第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，相对硅基器件具有 高频、高速的光电性能，广泛应用于光电子和微电子领域； 3) 第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氮化铝 （AlN）、金刚石（C）为代表。因具有大禁带宽度、高电导率、高热导率、高抗辐射能力 等优点，更适合在高压、高频、高功率、高温以及高可靠性领域中应用，例如射频通信、 雷达、电源管理、汽车电子、电力电子等。

与第一代半导体材料 Si 相比，碳化硅具备更高的击穿电场强度、饱和电子漂移速率、 热导性和热稳定性。根据艾瑞咨询数据： 1）宽禁带：高稳定性+高击穿电场强度。碳化硅的禁带宽度是硅的 3 倍，使得其具有 更好的稳定性，宽禁带同时也有助于提高击穿电场强度，使其具有更好的耐热性和耐高压 性、高频性。2）热导率：散热性能好。SiC 热导率是 Si 的 2-3 倍，热阻更低，更耐高温（工作结温 更高可达 200℃以上，极限工作结可达 600℃，而 Si 的工作极限温度为 150℃），产生的 热量更容易传输到散热器和环境中。 3）高饱和电子漂移速率：能量损耗更低。碳化硅的饱和电子漂移速率为硅的 2-3 倍， 导通电阻更低，能够大幅度降低导通损耗，同时有更高的切换频率。在 1kV 电压等级下， SiC 基单极性器件的导通电阻是 Si 基器件的 1/60。碳化硅器件更高效节能、更能实现系统小型化。根据罗姆官网数据，相同规格下 SiC 器 件体积约为硅基器件的 1/10。

碳化硅产业链主要分为衬底、外延、器件和应用四大环节，衬底与外延占据 70%的碳 化硅器件成本。根据中商产业研究院数据，碳化硅器件的成本构成中，衬底、外延、前段、 研发费用和其他分别占比为 47%，23%，19%，6%，5%，衬底+外延合计约 70%，是碳 化硅产业链制造的重要组成部分。 衬底和外延层的缺陷水平的降低、掺杂的精准控制及掺杂的均匀性对碳化硅器件的应 用至关重要。受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前碳化硅衬底及外延层的 价值量高于硅材料。 碳化硅衬底分为导电型和半绝缘型衬底。在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层， 可制成二极管、MOSFET 等功率器件，主要应用于新能源汽车、光伏发电等领域；在半绝 缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，可制成 HEMT 等微波射频器件，主要应用于 5G 通 讯、卫星等领域。

衬底：晶体生长是核心难点，PVT 为主流方法。碳化硅衬底经多个工序，PVT 为碳化硅晶体生长的主流方法。碳化硅衬底制备目前主 要以高纯碳粉、硅粉为原料合成碳化硅粉，采用物理气相传输法（PVT 法），在单晶炉中 生长成为晶体，随后经过切片、研磨、抛光、清洗等步骤制成单晶薄片作为衬底。

晶体生长是核心难点，国内衬底良率偏低。1）SiC 晶棒生长速度慢。长度约 2cm 的 SiC 晶棒大约需要 7-10 天的生长时间（天科合达招股说明书数据），生长速度仅为 Si 晶棒 的几十分之一；2）晶体生长对各种参数要求高，工艺复杂。在晶体生长过程中需要精确控 制硅碳比、生长温度梯度等参数，并且生长过程不可见。 我们认为长晶难点在于工艺而非设备本身，目前部分碳化硅衬底厂商选择自研长 晶设备，也有部分厂商选择外购模式。 根据公司年报及招股说明书，天科合达成立沈阳分公司生产拥有自主知识产权的碳化 硅单晶生长炉，2019 年对外销售 23 台。天岳先进的碳化硅单晶生长炉主要找北方华创采 购，但热场设计、控制软件以及组装调试工作均由公司自行完成，并且拥有“碳化硅单晶 大直径、高厚度、低缺陷制备技术”专利。

根据晶升股份招股说明书，预计北方华创占国内碳化硅厂商采购份额 50%以上，晶升 股份市占率约为 27.47%-29.01%，二者占国内长晶炉超 77%。

 外延：处产业链中间环节，设备交付周期长。外延是指在碳化硅衬底上，经过外延工艺生长出特定单晶薄膜。1）随着器件耐压性能 的提高，对应的外延层厚度增加，对厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的控制就变得困难。 根据今日半导体数据，一般电压 600V 左右时，所需外延层厚度约在 6 微米；电压在 1200-1700V 时，所需外延层厚度达 10-15 微米；若电压达到一万伏以上时，可能需要 100 微米以上的外延层厚度。2）CVD（化学气相沉积）是外延生长中最常用的方法。国内碳化 硅外延技术在高压应用领域受限制，厚度和参杂浓度均匀性是关键的参数。 外延层对器件性能影响大，处产业链中间环节。外延缺陷会对器件击穿电压造成影响， 使得器件良率提升难度大；同时，外延层的质量又受到晶体和衬底加工质量的影响，处产 业链中间环节。

碳化硅外延市场由 Wolfspeed 和昭和电工（Showa Denko）双寡头垄断。根据 Yole 数据，2020 年全球碳化硅外延市场中，Wolfspeed 占 52%，昭和电工占 43%，CR2 共占 95%。

国内各厂商加快生产线建设。天域半导体建设碳化硅外延材料研发及产业化项目，预 计 2025 年竣工并投产，实现营收 8.7 亿元，2028 年全面达产产能 100 万片/年；瀚天天 成二期 22 年 3 月竣工验收，23 年达产产能为 20 万/年；三期于 22 年启动建设，预计达 产产能 140 万片/年。

外延设备是核心，国外厂商垄断。外延设备被行业四大龙头企业德国的 Aixtron、意大 利的 LPE、日本的 TEL 和 Nuflare 所垄断，主流 SiC 高温外延设备交付周期已拉长至 1.5-2 年左右（TEL 因价格和技术 IP 问题，较少出现在国内市场；Nuflare 设备多数交付给 Wolfspeed 和 II-VI）。 德国 Aixtron：多片机产能较大，缺点是控制难度较高；意大利 LPE：单片机，生长 速率最高，缺点是需要经常降温清理腔体。日本 TEL：双腔体，对提高产量有一定的作用； 日本 Nuflare：垂直机台，高速旋转可达到一分钟 1000 转，保证均匀性控制较好的同时 可以避免一些颗粒物的产生，缺陷较低。 根据公司年报及官网，北方华创 SiC 外延炉已实现量产，截至 2022 年 9 月累计订单 数超 100 台；中微公司目前已启动外延生产设备的开发，预计 2023 年将交付样机至客户 端开展生产验证。