前言：【核芯觀察】是電子發(fā)燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產(chǎn)業(yè)架構(gòu)，理清上、中、下游的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)迅速了解各大細(xì)分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。我們計(jì)劃會(huì)對(duì)包括集成電路、分立器件、傳感器、光電器件等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上下游進(jìn)行梳理，眼下大家最為關(guān)注，也疑惑最多的是第三代半導(dǎo)體，所以這次就先對(duì)它來一個(gè)梳理分析。

三、SiC產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)

1.SiC的應(yīng)用趨勢(shì)：逐步取代傳統(tǒng)硅基功率器件

傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體由于自身物理性質(zhì)受限 ，不適合在高溫、高壓、高頻、高功率等領(lǐng)域使用，同時(shí)由于受到摩爾定律限制，砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體也因此應(yīng)運(yùn)而生。

SiC 的耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍。與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開關(guān)管組成的模塊（全碳模塊），不僅具有碳化硅材料本征特性優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用時(shí)還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以簡(jiǎn)化散熱系統(tǒng)，降低熱預(yù)算，同時(shí)減小電容電感體積，從而降低系統(tǒng)綜合成本。

根據(jù)電阻率不同，SiC 襯底可以分為導(dǎo)電型（電阻率：15~30mΩ·cm）和半絕緣型（電阻率≥105Ω·cm）。其中，導(dǎo)電型 SiC 襯底（碳化硅外延）主要用于制造耐高溫 、耐高壓的功率器件，目前已廣泛應(yīng)用電力電子領(lǐng)域，如新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模較大；半絕緣型 SiC 襯底（氮化鎵外延）主要應(yīng)用于微波射頻器件等領(lǐng)域，例如 5G 通訊中的功率放大器和國(guó)防中的無線申電探測(cè)器等，隨著 5G 通訊網(wǎng)絡(luò)的加速建設(shè)，市場(chǎng)需求提升較為明顯。

圖源：天岳先進(jìn)

硅基 IGBT 統(tǒng)治了高壓高電流場(chǎng)景，而硅基 MOSFET 效率遠(yuǎn)不如 IGBT，僅適用于低壓場(chǎng)景。但硅基 IGBT 也存在一些缺點(diǎn)，比如無法承受高頻工況、功耗較大等。而 SiC 耐高壓耐高溫的特性，使得其僅用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的 MOSFET 器件就能覆蓋硅基 IGBT 的耐壓水平，同時(shí)規(guī)避其高能耗的缺點(diǎn)。這意味著 SiC 材料能夠?qū)崿F(xiàn)在射頻器件和功率器件上對(duì)硅基材料的性能完美替代 。

來自東芝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，碳化硅基 MOSFET 在相同環(huán)境下，對(duì)比同規(guī)格硅基 IGBT 的能量損失減少66%，主要來自于開關(guān)損耗的大幅減少。相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 與硅基 MOSFET 相比，其尺寸可大幅減小至原來的1/10，導(dǎo)通電阻可至少降低至原來的 1/100。

盡管SiC存在諸多性能上的優(yōu)勢(shì)，但目前較高的成本依然限制著 SiC 的全面應(yīng)用。考慮到SiC器件的低能耗優(yōu)勢(shì)，以及量產(chǎn)和技術(shù)成熟帶來的成本下降趨勢(shì)，SiC 的性價(jià)比拐點(diǎn)將會(huì)很快到來。在新能源汽車行業(yè)，SiC可用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車載充電器和快速充電樁等。

在光伏發(fā)電上，目前光伏逆變器器龍頭企業(yè)已采用 SiC功率器件替代硅器件。新基建中，特高壓輸電工程對(duì) SiC器件具有重大需求。未來SiC器件將在各應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)替代傳統(tǒng)硅基器件。

2.SiC晶圓尺寸趨勢(shì)：6英寸向8英寸推進(jìn)

硅晶圓早已從8英寸（200mm）過渡至12英寸（300mm），而碳化硅晶圓的主流尺寸多年以來都是6英寸（150mm）。更大的晶圓尺寸，意味著單片晶圓所能夠制造的芯片數(shù)量更多，晶圓邊緣的浪費(fèi)減少，單芯片成本降低。Wolfspeed的報(bào)告顯示，以32mm2面積的裸片（芯片）為例，8英寸晶圓上的裸片數(shù)量相比6英寸增加近90%，同時(shí)邊緣裸片數(shù)量占比從14%降低至7%，也就是說8英寸晶圓利用率相比6英寸提升了7%。因此晶圓往大尺寸發(fā)展是需求增長(zhǎng)下的必然趨勢(shì)。

目前在半絕緣型碳化硅市場(chǎng)，主流的襯底尺寸為4英寸；而在導(dǎo)電型碳化硅市場(chǎng)，主流的襯底尺寸為6英寸。8英寸 SiC 目前仍未大規(guī)模量產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2022-2023年開始部分頭部廠商會(huì)開始量產(chǎn)。

8英寸與6英寸 SiC 材料的區(qū)別主要是在高溫的工藝上，比如高溫離子注入、高溫氧化、高溫激活以及這些高溫工藝所需的硬掩膜工藝等。

根據(jù)中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2020-2025年國(guó)內(nèi)4英寸 SiC 晶圓市場(chǎng)逐步從10萬片減少至5萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長(zhǎng)至20萬片；2025-2030年，4英寸晶圓將逐步退出市場(chǎng)，6英寸增加至40萬片。

在8英寸 SiC襯底布局方面，海外廠商要遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。II-VI 、Wolfspeed、羅姆、ST 等都已經(jīng)展示8英寸 SiC 襯底樣品，或開始小批量生產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2023年開始進(jìn)入加速量產(chǎn)的階段。

國(guó)內(nèi)方面，山西爍科晶體公司已經(jīng)宣布8英寸 SiC 襯底研發(fā)成功，并小批量生產(chǎn) N 型 SiC 拋光片；天科合達(dá)、露笑科技等都有8英寸襯底的相關(guān)布局。

3.SiC成本、良率趨勢(shì)

以往 SiC 襯底的成本居高不下，是限制 SiC 器件在電力電子領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。

無論是從技術(shù)難度還是從成本占比上看，襯底都是 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)。CASA 的數(shù)據(jù)顯示，SiC 器件的制造成本中，襯底成本占比高達(dá)47%，外延成本占23%，這兩大工序占 SiC 器件 70% 的成本。

作為對(duì)比，硅器件的成本結(jié)構(gòu)中，襯底成本只占7%，而晶圓制造設(shè)備/工藝成本占比達(dá)到50%。

目前 SiC 龍頭 Wolfspeed的6英寸 N 型（導(dǎo)電型） SiC 襯底價(jià)格約每片 1000 美元，而12英寸硅片價(jià)格僅在 100 美元左右，半絕緣型 SiC 襯底單價(jià)比同尺寸導(dǎo)電型襯底更是高 2-3 倍。

不過隨著規(guī)模效應(yīng)以及工藝提升，SiC 襯底的制造成本在加速下降。根據(jù)天岳先進(jìn)的公開數(shù)據(jù)，2018-2021H1，公司半絕緣 SiC 襯底單片成本分別為 8709、7492、5966、4684 元，2021H1 單位成本較 2018 年下降了 46%。

而價(jià)格方面，天岳先進(jìn)4 英寸半絕緣型 SiC 襯底單價(jià)從 2018 年的 9682 元下降至 2021H1 的 7837 元，降幅近20%；6英寸導(dǎo)電型 SiC 襯底價(jià)格 2020 年同比下降 20% 。總體而言，SiC 襯底價(jià)格呈現(xiàn)每年8%-10%左右的降幅。

目前主流商用的 PVT 法晶體生長(zhǎng)速度慢、缺陷控制難度大，導(dǎo)致 SiC 襯底生產(chǎn)速率慢，產(chǎn)品良率還低。SiC 襯底的良率，體現(xiàn)為單個(gè)半導(dǎo)體級(jí)晶棒經(jīng)切片加工后產(chǎn)出合格襯底的占比，受晶棒質(zhì)量、切割加工技術(shù)等多方面的影響。

當(dāng)前行業(yè)中 4 英寸襯底良率大概為70%，6英寸良率則為30%-50%。根據(jù)天岳先進(jìn)的公開信息2018-2020年 SiC 晶棒良率分別為41%、38.57%、50.73%；襯底良率分別為72.61%、75.15%、70.44%，各年度受產(chǎn)品指標(biāo)變化的影響存在一定波動(dòng)，總體良率呈現(xiàn)波動(dòng)上行的趨勢(shì)。

SiC 器件方面，根據(jù) Mouser 的數(shù)據(jù)，在公開報(bào)價(jià)上，2018-2020年間 SiC 器件價(jià)格平均下降幅度接近50%。比如650V SiC SBD，2018-2020的價(jià)格分別為2.84元/A、1.82元/A、1.58元/A；1200V SiC MOSFET 2019年價(jià)格4.2元/A，2020年價(jià)格跌至3.04元/A。

同時(shí)，根據(jù)CASA統(tǒng)計(jì)，業(yè)內(nèi)實(shí)際的采購(gòu)價(jià)格比公開報(bào)價(jià)要更低，實(shí)際采購(gòu)價(jià)大約是公開報(bào)價(jià)的60%-70%。

總體而言，主流 SiC 器件與硅器件的價(jià)格差距在逐漸拉近，目前同等規(guī)格下的產(chǎn)品差價(jià)約4-5倍。

下一期，詳解SiC各環(huán)節(jié)企業(yè)分布，行業(yè)格局、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)比、產(chǎn)業(yè)投資情況等。

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