本文精編自：中泰證券《寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)深度：SiC 與 GaN 的興起與未來(lái)》
摘要：自從特斯拉 Tesla 推出 Model 3，在逆變器模組上采用碳化硅后，碳化硅這類新型半導(dǎo)體材料越來(lái)越受重視。碳化硅具有高功率、耐高壓、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)「新基建」，「數(shù)字基建」有著巨大的商業(yè)前景。
特斯拉領(lǐng)軍，半導(dǎo)體新材料碳化硅需求起飛
電動(dòng)車已成為汽車市場(chǎng)主流，多數(shù)電動(dòng)車仍是以硅材料的IGBT來(lái)作逆變器芯片模組，是功率半導(dǎo)體在電動(dòng)車領(lǐng)域的技術(shù)主流。但自從特斯拉Tesla推出Model3，采用以24個(gè)碳化硅 MOSFET為功率模塊的逆變器后，碳化硅（SiC）這類新型半導(dǎo)體材料越來(lái)越受重視。
目前碳化硅器件在電動(dòng)車上應(yīng)用主要是功率控制單元、逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面。2015年，汽車巨頭豐田便展示了全碳化硅模組的PCU。相比之下，碳化硅PCU僅為傳統(tǒng)硅PCU的體積的1/5，重量減輕35%，電力損耗從20%降低到5%，提升混動(dòng)車10%以上的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益十分明顯。
根據(jù)IHSMarkit數(shù)據(jù)，2018年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約3.9億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動(dòng)，以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)到2027年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元，碳化硅襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長(zhǎng)。
新一代黃金賽道，得碳化硅者得天下
碳化硅到底是何方神圣？碳化硅是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，屬于第三代半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度高達(dá)3.0eV，相比第一代半導(dǎo)體材料硅，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導(dǎo)熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8倍；電子飽和漂移速率為硅的2倍。
碳化硅具有高功率、耐高壓、耐高溫、高頻、低能耗、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將廣泛應(yīng)用于新能源汽車、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域，在未來(lái)「新基建」，「數(shù)字基建」有著巨大的商業(yè)前景。
同時(shí)，目前碳化硅領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外差距較傳統(tǒng)硅基行業(yè)小，具有「換道超車」的機(jī)會(huì)，成為各方都十分看好的賽道，堪稱半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)新一代「黃金賽道」。
但碳化硅也有巨大的痛點(diǎn)：短缺且昂貴，常常有價(jià)無(wú)市。
目前傳統(tǒng)硅基產(chǎn)業(yè)極其成熟的商業(yè)環(huán)境，至少有一大半原因是硅材料較為容易得到。硅材料成熟且高效的制備技術(shù)使得硅材料目前十分低廉，目前6英寸硅拋光片僅150元，8英寸300元，12英寸850元左右。用直拉法生產(chǎn)硅晶片，72小時(shí)能生長(zhǎng)出2-3米左右的硅單晶棒，一根單晶棒一次能切下上千片硅片。
目前最快的碳化硅單晶生長(zhǎng)的方法，生長(zhǎng)速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右，因此72小時(shí)也僅有7.2mm~14.4mm厚度的晶體。只有幾厘米都不到！目前4英寸碳化硅售價(jià)在4000-5000元左右，6英寸更是達(dá)到8000-10000元的水平。
因此國(guó)內(nèi)外下游廠家，紛紛和科銳（Cree）等碳化硅龍頭簽訂長(zhǎng)期合約鎖定產(chǎn)能。
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈
SiC 生產(chǎn)過(guò)程分為 SiC 單晶生長(zhǎng)、外延層生長(zhǎng)及器件制造三大步驟，對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。
SiC襯底：SiC晶體通常用Lely法制造，國(guó)際主流產(chǎn)品正從4英寸向6英寸過(guò)渡，且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出8英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)襯底以4英寸為主。由于現(xiàn)有的6英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級(jí)改造用于生產(chǎn)SiC器件，所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長(zhǎng)時(shí)間。
SiC外延：通常用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制造，根據(jù)不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。國(guó)內(nèi)瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。
SiC器件：國(guó)際上600~1700V SiC SBD、MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下，封裝形式以TO封裝為主。價(jià)格方面，國(guó)際上的SiC產(chǎn)品價(jià)格是對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品的5~6倍，正以每年10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴(kuò)產(chǎn)上線，未來(lái)2~3年后市場(chǎng)供應(yīng)加大，價(jià)格將進(jìn)一步下降，預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品2~3倍時(shí)，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)SiC逐步占領(lǐng)Si器件的市場(chǎng)空間。
碳化硅市場(chǎng)格局
目前，碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)全球獨(dú)大的特點(diǎn)。以導(dǎo)電型產(chǎn)品為例，2018年美國(guó)占有全球碳化硅晶片產(chǎn)量的70%以上，僅CREE公司就占據(jù)一半以上市場(chǎng)份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業(yè)占據(jù)。其中，國(guó)內(nèi)天科合達(dá)以1.7%的市場(chǎng)占有率排名全球第六、國(guó)內(nèi)第一。
科銳（Cree）：全球第一
在碳化硅功率器件市場(chǎng)，Wolfspeed占據(jù)市場(chǎng)最大的份額。Wolfspeed雖然目前是Cree三大部門(mén)（LED、LED照明應(yīng)用、Wolfspeed）中體量最小的，但已經(jīng)是公司最核心的業(yè)務(wù)部門(mén)。Wolfspeed 2018 年實(shí)現(xiàn)營(yíng)收 3.29 億美元，同比增長(zhǎng) 25.47%；毛利率高達(dá) 47%。
根據(jù)公開(kāi)業(yè)績(jī)說(shuō)明會(huì)，Wolfspeed 的目標(biāo)是在 2022 年收入番兩番，達(dá)到 8.5 億美元，屆時(shí)將成為 Cree 最大的收入來(lái)源。在 Wolfspeed 看來(lái)，到 2022年只要有25%的目標(biāo)市場(chǎng)轉(zhuǎn)換為SiC和GaN，就將是20億美元的市場(chǎng)，是現(xiàn)今市場(chǎng)的 8 倍，公司為極具潛力的 SiC 和 GaN 已經(jīng)做好了準(zhǔn)備。
天科合達(dá)：國(guó)內(nèi)第一
天科合達(dá)自2006年成立以來(lái)，2020年7月14日申請(qǐng)科創(chuàng)板上市，一直專注于碳化硅晶體生長(zhǎng)和單晶片生產(chǎn)領(lǐng)域，先后研制出2英寸、3英寸、4英寸碳化硅襯底，于2014年在研制出6英寸碳化硅單晶片，并已形成規(guī)模化生產(chǎn)能力，工藝技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，堪稱碳化硅的「明日之星」。此外，中科院物理所、大基金、華為的哈勃投資等均為天科合達(dá)的股東之一。
編輯/jasonzeng
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