2022年碳化硅行业发展现状及产业链分析.docx

2022年碳化硅行业发展现状及产业链分析1.碳化硅：性能优异，先进生产力代表碳化硅发展历程碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今。半导体材料演变情况常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等化合物半导体材料。从被研究和规模化应用的时间先后顺序来看，上述半导体材料被业内通俗地划分为三代。碳化硅优势：稳定高效，适用高压高频领域第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。碳化硅优势：节能+减重，新能源领域潜力广阔罗姆通过输入WLTC（全球统一轻型车辆测试循环）行驶循环的模拟行驶试验条件，对逆变器进行了采用第四代SiCMOSFET和IGBT的行驶电费试验。结果显示，采用SiCMOSFET总电费比IGBT改善6%，市区模式改善10%。改善电力消耗也意味着，维持行车距离不变的情况下可以降低电池电容。产业趋势：产能向大尺寸转移目前，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。Wolfspeed、II-IV均在2015年制备成功8英寸SiC样片。此外，罗姆和意法半导体也分别宣布拥有8英寸衬底制作技术。产业趋势：衬底供不应求，产能持续扩张据CASAResearch整理，国际龙头纷纷大力完善产业布局，强化竞争优势，持续加大衬底产能的扩张。据各公司官网披露，Wolfspeed投资近10亿美元进行扩产，预计在2017-2024间整体产能将扩大30倍；ROHM计划在2017年-2024年间产能扩充16倍；II-VI计划5年内产能扩充5-10倍。碳化硅产业链：衬底为核心，降本为关键在碳化硅器件的成本占比当中：衬底、外延、前段分别占比47%、23%、19%。我们认为，衬底是碳化硅产业链的核心环节，衬底行业的发展也是未来碳化硅产业降本、大规模产业化的主要驱动力。2.衬底为核心，技术瓶颈逐步突破碳化硅的晶体制备方法：PVT法使用最广目前碳化硅单晶的制备方法主要有：物理气相传输法（PVT）；顶部籽晶溶液生长法（TSSG）；高温化学气相沉积法（HT-CVD）。其中TSSG法生长晶体尺寸较小目前仅用于实验室生长，商业化的技术路线主要是PVT和HT-CVD。与HT-CVD法相比，采用PVT法生长的SiC单晶所需要的设备简单，操作容易控制，设备价格以及运行成本低，因此PVT法为工业生产所采用的主要方法。碳化硅晶型：4H晶型最优碳化硅的典型结构可分为两类，一类是闪锌矿结构的立方碳化硅晶型，称为3C-SiC或β-SiC，另一类是六角型或菱形结构的大周期结构其中典型的有6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC等，统称为α-SiC。3C-SiC制造器件方面具有高电阻率的优势。然而，Si和SiC晶格常数和热膨胀系数的高度不匹配会导致3C-SiC外延层中产生大量缺陷。4H-SiC在制造MOSFET方面非常有潜力，因为其晶体生长和外延层生长的工艺表现更为优异，电子迁移率方面，4H-SiC高于3C-SiC和6H-SiC，为4H-SiCMOSFET提供了更好的微波特性。行业痛点之良率：碳化硅衬底良率普遍偏低良率低主要由2个环节构成：（1）晶棒良品率=半导体级晶棒产量/（半导体级晶棒产量+非半导体级晶棒产量）×100%；（2）衬底良品率=合格衬底产量/（合格衬底产量+不合格衬底产量）×100%。碳化硅的晶型多达200多种，而想要生成所需要的单一晶型（主流为4H晶型），需要非常精确的控制。另一方面，SiC衬底作为莫氏硬度达9.2的高硬度脆性材料，加工过程中存在易开裂问题，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题。英飞凌为了提高产量，就曾在2018年收购了SiC晶圆切割领域的新锐公司Siltectra。3.海外占据领先地位，国内奋起直追碳化硅市场：海外厂商为主导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）