半導體材料主要分為三個代際。 ? 其中第一代半導體以材料硅Si、鍺Ge為代表，目前在半導體領域中第一代硅Si材料應用最為廣泛； ? 第二代半導體主要以化合物材料砷化鎵GaAs、磷化銦InP為代表； ? 第三代半導體主要以化合物材料碳化硅SiC、氮化鎵GaN、氮化鋁AlN為代表，其具有明顯的禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度大的特征，又被稱為寬禁帶半導體。 ? 硅基因為結構簡單，自然界儲備量大，制備相對容易，被廣泛應用半導體的各個領域，其中以處理信息的集成電路最為主要。在高壓、高功率、高頻的分立器件領域，硅因其窄帶隙，較低熱導率和較低擊穿電壓限制了其在該領域的應用。 ?

? 半導體特性的差異決定了不同材料在半導體元件中的應用，而第三代半導體在各個性能領域都優于硅基器件。

1、高熱導率 ? 碳化硅熱導率高于氮化鎵。第三代半導體的應用場景通常為高溫、高壓、高功率場景，器件需要具有較好的耐高溫和散熱能力，以保證器件的工作壽命。碳化硅的熱導率是氮化鎵熱導率的約3倍，具有更強的導熱能力，器件壽命更長，可靠性更高，系統所需的散熱系統更小。

? 2、高禁帶寬度 ? 碳化硅襯底器件體積更小。由于碳化硅具有較高的禁帶寬度，碳化硅功率器件可承受較高的電壓和功率，其器件體積可變得更小，約為硅基器件的1/10。? ? 碳化硅器件電阻更小。同樣由于碳化硅較高的禁帶寬度，碳化硅器件可進行重摻雜，碳化硅器件的電阻將變得更低，約為硅基器件的1/100。 ?

3、高電壓 ? 碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉換頻率下，400V電壓時，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的29%-60%之間；800V時，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的30%-50%之間。碳化硅器件的能量損失更小。 ? 應用： ? 第三代半導體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件，用以實現AC->AC(變壓器)、AC->DC(整流器)、DC->AC(逆變器)、DC->DC(升降壓變換器)，碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景，應用在新能源汽車和工控等領域，氮化鎵器件更適合高頻情況，應用在5G基站等領域。 ?

? 碳化硅按襯底制備方式以及面向的下游應用可分為兩種類型。

? 一種是通過生長碳化硅同質外延，下游用于新能源汽車、光伏、工控、軌交等功率領域的導電型襯底，外延層上制造各類功率器件； ? 另一種是通過生長氮化鎵異質外延，下游應用于5G通訊、國防等射頻領域的半絕緣型襯底，主要用于制造氮化鎵射頻器件。 ?

? ? ?

碳化硅產業鏈

制備流程 碳化硅生產流程包含材料端襯底與外延的制備，以及后續芯片的設計與制造，再到器件的封裝，最終流向下游應用市場。從成本拆分來看，目前受制于產能及良率，襯底成本占比最高達46%。 ?

? 碳化硅襯底制備環節主要包括原料合成、碳化硅晶體生長、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環節，其中制備重難點主要是晶體生長和切割研磨拋光環節，是整個襯底生產環節中的重點與難點，成為限制碳化硅良率與產能提升的瓶頸。 ?

? 具體流程如下： ? ① 原料合成：將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2000℃ 以上的高溫下反應合成碳化硅。再經過破碎、清洗等工序，制得高純碳化硅微粉原料。 ? ② 晶體生長：將高純 SiC 微粉和籽晶置于單晶生長爐兩端，通過電磁感應將原料加熱至 2000℃ 以上形成蒸汽，蒸汽上升到達溫度較低的籽晶處結晶形成碳化硅晶錠。 ?

? ③ 晶錠加工：用 X 射線單晶定向儀對晶錠定向，磨平、滾磨加工成標準尺寸。 ? ④ 晶體切割：使用切割設備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm 薄片。 ?

? ⑤ 晶片研磨：通過金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。 ? ⑥ 晶片拋光：通過機械拋光和化學機械拋光得到表面無損傷的碳化硅拋光片。 ? ⑦ 晶片檢測：檢測碳化硅晶片的微管密度、結晶質量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項參數指標，據此判定質量等級。 ? ⑧ 晶片清洗：以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進行處理。SiC 長晶環節制造成本高且工藝難度大，其晶體生長效率極其緩慢，生長速度僅為?0.2-0.3mm/h；且在生長過程中升溫降溫速度緩慢，因此，一個爐子一周僅能長 2cm 厚的碳化硅晶棒。此外，由于碳化硅硬度大，切割過程中易碎，切割良率低。 ?

? 碳化硅產業鏈涉及多個復雜技術環節。

依次可分為：襯底、外延、器件、終端應用。 受制于材料端的制備難度大，良率低，產能小，目前產業鏈的價值集中于襯底和外延部分，前端兩部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的設計、制造、封測環節僅占 30%。 碳化硅產業鏈圖譜：

資料來源：維科網·鋰電，海通國際、行行查

1. 碳化硅襯底 ? 襯底制造是碳化硅產業鏈技術壁壘最高、價值量最大的環節，是未來碳化硅大規模產業化推進的核心環節。 碳化硅的襯底可以按照電阻率分為導電型襯底和半絕緣型襯底，導電型電阻率在 0.02Ω·cm 左右，半絕緣型電阻率大于 106Ω·cm 。 在導電型襯底上生長SiC襯底制作的功率器件可以應用在新能源汽車、電網、光伏逆變器、軌道交通等高壓工作場景。 隨著國內碳化硅襯底產能建設的推進，市場對于其原材料高純熱場、高純保溫、高純碳粉、高純碳化硅粉等需求將快速增加。 目前中國大陸碳化硅襯底規劃投資超200億元，未來遠期規劃年產能超400萬片。

從行業市場格局來看，目前碳化硅襯底市場由美日歐主導，美國全球獨大。 頭部廠商包括美國的Wolfspeed、II-VI、安森美，歐洲市場ST意法和英飛凌，日本的羅姆、三菱、富士電機等。 ? Wolfspeed的8英寸SiC襯底已于2019年研發成功，2021年左右投產，有報道稱計劃于2024年將產能達到驚人的年產600萬片。 ? 2022年8月，全球碳化硅襯底市占率第二的高意集團（II-VI）宣布，已與英飛凌簽訂碳化硅襯底多年供應協議，將為后者供貨6英寸SiC襯底，并共同開發過渡至8英寸SiC襯底。 ? Wolfspeed的不同尺寸SiC襯底研發進度：

? 由于碳化硅襯底生產技術難度高，國內具備技術儲備和量產能力的公司較少，行業競爭格局較好。 我國的導電型碳化硅襯底龍頭天科合達市場份額不足2%。

在半絕緣型襯底方面，我國的天岳先進進入全球頭部廠商地位，市場份額為30%，市場占有率排名全球第三、國內第一。 碳化硅生長技術難度高導致了目前碳化硅襯底廠商生產良率較低。

天岳先進作為國內半絕緣型碳化硅襯底龍頭企業，晶棒環節良率近兩年平均水平約為50%，襯底環節良率近兩年在 70%-75% 區間。 當前國內碳化硅襯底產能仍有較大部分為2-4英寸，部分頭部廠商完成了6英寸碳化硅襯底的技術儲備并實現了量產，但規模較小，8英寸襯底生產技術仍處于技術儲備之中。 截至2022年11月，晶盛機電、天岳先進、天科合達分別宣布掌握8英寸碳化硅襯底制備技術。 襯底主要布局廠商還包括露笑科技、爍科晶體、同光晶體、南砂晶圓等。 另外，目前在OBC和終端應用領域，國內車廠已經采用國內廠商主流SiC方案，未來國產廠商有望在主驅逆變器上獲得更好的發展。? 國內車廠進入SiC領域：

資料來源：Trendforce ? ? 2. 碳化硅外延 ? 碳化硅外延片是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。 外延加工占碳化硅器件成本結構的23%，僅次于襯底制備，為器件設計要求的功能層。 碳化硅外延片成本結構：

資料來源：NERL 在晶體生長和晶片加工過程中，不可避免地會在表面或近表面產生缺陷，導致襯底的材料質量和表面質量下降，直接影響制得器件的性能。

而外延局的生長可以消除許多缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌得到改觀。 碳化硅晶片主要加工流程：

資料來源：長城國瑞 國際上碳化硅外延企業主要有昭和電工、II-VI、Norstel、Wolfspeed、Rohm、三菱電機、英飛凌等。

國內廠商具備替代空間，目前國內相關外延廠商東莞天域和廈門瀚天天成，兩者均已實現產業化，可供應 4-6 英寸外延片。相關設備廠商包括中電55所、普興電子/中電13所、三安集成和希科半導體（江蘇蘇州），國產外延爐廠家多以單腔、水平氣流、手動設備為主，月產能約為300~500片，還需驗證設備工藝以及外延工藝。

2022年8月，II-VI宣布，已與東莞天域半導體簽訂1億美元供貨訂單，向后者供應 SiC 6英寸襯底，到2023年底交付。

外延設備也被海外企業基本壟斷，各廠商設備存在差異。主要廠商包括意大利LPE公司、德國Aixtron公司、日本TEL和Nuflare公司。四家公司的設備工作原理不同，在性能上各有優勢。 ? 3. 碳化硅器件 ? 從碳化硅行業整體競爭格局來看，海外龍頭占據主導地位，IDM模式是行業主流。

下游碳化硅器件市場，意法半導體占據最大市場份額，達40%，其次為Wolfspeed?和 Rohm，分別占據 15% 和 14% 的市場份額。

國內器件領域的頭部廠商包括斯達半導和泰科天潤等。

器件設計中難點較多，國內擁有眾多設計廠商。 SiCMOS 仍與海外廠商存在差距，相關制造平臺仍在搭建中。

目前意法半導體、英飛凌、Rohm 等 600-1700V SiCMOS 已實現量產并和多制造業達成簽單出貨，而國內 SiCMOS 設計已基本完成，多家設計廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗證仍需部分時間，因此距離大規模商業化仍有較長時間。 國內相關SiC設計廠商：

資料來源：芯TIP，銀河證券、行行查 國內布局碳化硅產業鏈的主要企業還包括三安光電、中車時代電氣、東微半揚杰科技、新潔能、雙良節能等。

碳中和趨勢下，碳化硅有望在新能源汽車、光伏、風電、工控等領域的持續滲透。

Wolfspeed 預計2023年碳化硅材料市場達2000萬美元，2025年進一步增長至2700萬美元。工藝節點的轉變將帶來成本優化，進一步促進市場需求擴增。

全球碳化硅市場處于高速成長階段，得益于新能源車、光伏逆變器本土品牌商市場份額提升，國內企業已獲入場機會，且有望通過技術快速迭代和產能擴張受益，國產替代空間廣闊。 ?

編輯：黃飛

?