碳化硅发展历程、材料分类、格局、产业趋势及市场份额分析

第三代半导体，性能优异。

1.发展历程：历久弥新，现已步入快车道

碳化硅的发展主要可以分为三大阶段。第一个阶段是结构基本性质和生长技术 的探索阶段,时间跨度从 1824 年发 现 SiC 结构至 1955 年 Lely 法的提出 。 第二阶段是物理基本性质研究 和英寸级别单晶生长的技术积累阶段。 在 此阶段物理气相传输( physical vapor transport, 缩写为 PVT)生长 方法基本确定、掺杂半绝缘技术被提出,至 1994 年 Cree 推出了商用的 2 英寸(50. 8 mm) SiC 衬底材料 。 从 1994 年以后,随着国际上半导体照明及 2 英寸 SiC 单 晶衬底的突破性进展,掀起了全球 SiC 器件及相关技术的研究热潮。

2.材料分类：半绝缘型/导电型

碳化硅衬底主要有2大类型：半绝缘型和导电型。在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为4 英寸。 在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 6 英寸。 由于下游应用在射频领域，半绝缘型SiC衬底、外延材料均受到美国商务部出口管制。

半绝缘 SiC 作为衬底是GaN异质外延的优选材料,在微波领域具有重要的应用前景。相比蓝宝石14% 、Si 16. 9% 的晶格失配,SiC 与 GaN 材料仅有 3. 4% 的晶格失配,加上 SiC 超高的热导率,使其制备的高能效 LED 和 GaN 高 频大功率微波器件在雷达、高功率微波设备和 5G 通信系统等方面均有极大的优势。半绝缘 SiC 衬底研发工作一 直是 SiC 单晶衬底研发的重点。 生长半绝缘 SiC 材料主要有2个难点：1）降低晶体中由石墨坩埚、保温吸附和粉料中掺杂引入的 N 施主杂质；2） 在保证晶体质量和电学性质的同时,引入深能级中心补偿残存的具有电学活性的浅能级杂质。 目前国内具备半绝缘型SiC生产能力的厂商主要为天岳先进、天科合达、山西烁科及同光晶体。

导电型SiC晶体通过向生长气氛中通人氮气实现。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件，碳化硅功率器件 具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势， 将大幅提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率， 对高效能源转换领域产生重大而深远的影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、 智能 电网等。由于导电型产品下游主要为电动车、光伏等领域的功率器件中，应用前景空间更加广阔，生产厂商也更加众多。

3.行业格局：产能向大尺寸转移，国内厂商进展加速

目前，碳化硅产业中衬底仍以4-6英寸为主。若将尺寸由6英寸提高至8英寸，SiC的单片面积将增大77.8%，可利用 面积大大提高。大直径衬底能够有效降低器件制备成本，以直径 6英寸衬底为例，使用直径 6英寸衬底相对直径 4英 寸衬底能够节省大约 30%的器件制备成本。 国内尺寸迭代较海外厂商略慢一筹，但近年来发展提速明显。山西烁科为首家宣布可制备8英寸SiC衬底。2021年8 月，山西烁科研制出8英寸碳化硅晶体。2022年1月，公司实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产。截至2022年11月，晶盛机电、天岳先进、天科合达分别宣布掌握8英寸碳化硅衬底制备技术。

4.产业趋势：规模效应下价格渐低，需求起量在即

近年来，半绝缘型及导电型衬底的单价都在逐年递减，我们预计随着全球产能扩张逐步落地，未来3年内衬底 单价将会继续下降，从而有助于加速碳化硅的渗透率整体提升。 据Wolfspeed预测，碳化硅材料市场将在2024年突破10亿美元，在22-26年间增长2.5倍，从7亿美元增长至17 亿美元。

5.市场份额：海外厂商仍为主导，国内厂商逐步崛起

目前碳化硅衬底市场以海外厂商为主导，国内企业市场份额较小。碳化硅衬底产品的制造涉及设备研制、原料合 成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测等诸多环节，需要长期的工艺技术积累，存在较高的技术及人才 壁垒。 根据华经产业研究院援引Yole数据，2020年上半年，碳化硅衬底市场（半绝缘和导电型）Wolfspeed市占率达到 45%以上，国内龙头天科合达和山东天岳的合计市场份额不到10%。山东天岳、烁科晶体（中电科孵化）、河北 同光（中科院半导体所孵化）现有主要产品为高纯半绝缘衬底，而天科合达（中科院物理所孵化）、世纪金光主 要产品为导电型衬底。 我们认为，随着国内衬底产品日益成熟、扩产进度逐渐加速，中国衬底厂商有望重塑行业格局，未来在碳化硅衬 底环节占领一席之地。