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特斯拉下一代平臺(tái)點(diǎn)亮碳化硅產(chǎn)業(yè)變革新方向

IC咖啡 ? 來(lái)源:云岫資本 ? 2023-04-24 09:58 ? 次閱讀

2023年3月2日,特斯拉宣布下一代平臺(tái)將減少75%的碳化硅用量,引發(fā)市場(chǎng)對(duì)碳化硅應(yīng)用前景的擔(dān)憂,全球碳化硅相關(guān)股票當(dāng)日均應(yīng)聲下跌。不過(guò)很快市場(chǎng)意識(shí)到這并非碳化硅行業(yè)的利空,相關(guān)板塊股價(jià)出現(xiàn)反彈。截至4月14日,ST、安森美、天岳先進(jìn)等公司已基本恢復(fù)3月2日前的股價(jià)水平。

本篇研究報(bào)告將從特斯拉減少碳化硅用量出發(fā)剖析碳化硅行業(yè)的新趨勢(shì),并提出其對(duì)碳化硅投資的新啟示。

一代材料一代應(yīng)用,碳化硅材料方興未艾

碳化硅(Silicone Carbide, SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料,相較于硅材料等前兩代半導(dǎo)體材料,其禁帶寬度更大,在擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面有顯著優(yōu)勢(shì)。因此,碳化硅是制造高溫、高頻、大功率半導(dǎo)體器件的理想材料,具有高效率、開(kāi)關(guān)速度快等性能優(yōu)勢(shì),能大幅降低產(chǎn)品能耗、提升能量轉(zhuǎn)換效率并縮小產(chǎn)品體積,完美契合碳中和時(shí)代的應(yīng)用需求。

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目前,碳化硅器件可廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏逆變器、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、5G通信等領(lǐng)域,是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中前景最廣闊的材料之一。

其中,在新能源汽車(chē)領(lǐng)域,碳化硅器件主要用于主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC充電樁。2017年,特斯拉率先在其Model3車(chē)型上使用碳化硅器件,以簡(jiǎn)化供電網(wǎng)絡(luò)、減少逆變體積和重量、降低損耗并提高汽車(chē)?yán)m(xù)航。在特斯拉的帶領(lǐng)下,國(guó)內(nèi)外各大車(chē)企紛紛發(fā)布碳化硅上車(chē)計(jì)劃,新能源汽車(chē)逐漸成為碳化硅器件最大的終端應(yīng)用市場(chǎng)。此外,為解決里程問(wèn)題,800V高壓快充平臺(tái)成為新一代解決方案,國(guó)內(nèi)外車(chē)廠也相繼掀起一輪800V平臺(tái)車(chē)型發(fā)布潮。

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3月2日,特斯拉宣布其下一代平臺(tái)將減少75%的碳化硅用量,在市場(chǎng)短暫的情緒波動(dòng)后,業(yè)界普遍認(rèn)為這是特斯拉在碳化硅技術(shù)方面的一次迭代升級(jí),我們匯總了幾類(lèi)可能的實(shí)現(xiàn)路徑如下:

特斯拉有可能在下一代平臺(tái)中升級(jí)為800V架構(gòu),那么相較于現(xiàn)有的400V架構(gòu),特斯拉理論上可以減少50%的器件用量;

溝槽型MOSFET替代平面型MOSFET,碳化硅器件的面積可以相應(yīng)減少;

平面型MOSFET的迭代升級(jí),器件面積減少、穩(wěn)定性提高;

新模塊封裝技術(shù)可以提升器件電壓和模塊功率,減少碳化硅器件用量。

盡管我們并不清楚特斯拉具體采取了哪種實(shí)現(xiàn)路徑,但可以肯定的是,特斯拉減少碳化硅用量是由技術(shù)進(jìn)步而非退步帶來(lái)的,實(shí)際上,碳化硅在光伏儲(chǔ)能、工業(yè)、軌交、電網(wǎng)等更多領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用一直受制于其高企的成本,特斯拉帶領(lǐng)的技術(shù)革新或?qū)⒋蜷_(kāi)碳化硅普及化的閘門(mén),使其在更大范圍內(nèi)替代硅基IGBT

因此,我們認(rèn)為碳化硅器件的競(jìng)爭(zhēng)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將取決于企業(yè)的技術(shù)能力而非資本實(shí)力。實(shí)際上,全球碳化硅器件市場(chǎng)格局長(zhǎng)期以來(lái)一直由海外巨頭主導(dǎo)。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù),2021年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)份額由海外巨頭意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆英飛凌、三菱電機(jī)、安森美等廠商壟斷,全球TOP6占據(jù)99%的市場(chǎng)份額。

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襯底是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵的一環(huán)

供需高度緊張?zhí)蓟杵骷谱鬟^(guò)程可分為襯底加工、外延生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)、制造、封裝等環(huán)節(jié)。產(chǎn)業(yè)鏈存在較為顯著的價(jià)值量倒掛現(xiàn)象,其中襯底制造技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大。在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中,碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的47%。而對(duì)于硅基器件來(lái)說(shuō),晶圓制造占據(jù) 50%的成本,硅片襯底僅占據(jù)7%的成本。

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碳化硅襯底按照下游應(yīng)用可分為半絕緣型襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底。半絕緣型襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件,而導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造各類(lèi)功率器件。

從競(jìng)爭(zhēng)格局上看,目前國(guó)內(nèi)企業(yè)在半絕緣型襯底領(lǐng)域已經(jīng)成為全球重要供應(yīng)力量,天岳先進(jìn)已經(jīng)占據(jù)全球30%的半絕緣型襯底市場(chǎng)。但在導(dǎo)電型襯底領(lǐng)域,Cree一家就供應(yīng)了全球62%的導(dǎo)電型襯底,前三名壟斷了90%的市場(chǎng),國(guó)內(nèi)企業(yè)相較于海外龍頭還有較大差距。

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目前襯底是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵的一環(huán),全球碳化硅襯底目前正面臨極度的供不應(yīng)求。事實(shí)上,我們認(rèn)為這也是特斯拉不得不尋求減少碳化硅用量的直接原因。如果按照1片6寸襯底供給2輛新能源汽車(chē)來(lái)計(jì)算,那么2022年特斯拉130萬(wàn)輛的產(chǎn)銷(xiāo)就需要65萬(wàn)片6寸碳化硅襯底,同期全球碳化硅襯底產(chǎn)能不過(guò)80-100萬(wàn)片。考慮到一部分襯底只能用來(lái)做工規(guī)級(jí)產(chǎn)品,那么目前全球產(chǎn)能也只能勉強(qiáng)滿足特斯拉一家車(chē)企的需求。而特斯拉計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)2000萬(wàn)輛的年產(chǎn)能,相當(dāng)于1000萬(wàn)片的襯底需求,這需要全球襯底產(chǎn)能擴(kuò)大10倍以上。

即使考慮到單車(chē)碳化硅用量可能的減少,根據(jù)云岫資本測(cè)算,到2027年,全球車(chē)載碳化硅襯底需求量仍會(huì)突破650萬(wàn)片,其中中國(guó)市場(chǎng)需求也將突破240萬(wàn)片,當(dāng)前產(chǎn)能仍有6倍缺口。

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碳化硅襯底技術(shù)壁壘極高,并且仍在不斷迭代

碳化硅長(zhǎng)晶難度高

地球上沒(méi)有天然的碳化硅,其最早是在1824年由瑞典科學(xué)家Berzelius在人工合成金剛石的實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)的,但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起足夠的關(guān)注。1959年,荷蘭科學(xué)家Levy提出了一種升華生長(zhǎng)單晶的方法,在石墨坩堝中放入碳化硅粉末并在保護(hù)性氣體中加熱至2500℃,升華的氣體在低溫處結(jié)晶可完成晶體生長(zhǎng)。但碳化硅存在200多種晶型,這種方法并不能控制特定單一晶型的碳化硅晶體生長(zhǎng),因此并沒(méi)有推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)突破性發(fā)展。

1978年,前蘇聯(lián)科學(xué)家Tairov在此基礎(chǔ)上提出了物理氣相傳輸法(PVT法)并極大程度推動(dòng)了碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該方法在石墨坩堝頂部粘有碳化硅籽晶,通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度、溫度梯度、壓力、碳硅比等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)單一晶型的碳化硅晶體生長(zhǎng)。但當(dāng)時(shí)生長(zhǎng)出來(lái)的碳化硅晶體仍然存在尺寸小、缺陷高等問(wèn)題。之后,Tairov教授的三位學(xué)生分別加入美國(guó)Cree公司、創(chuàng)辦德國(guó)SiCrystal公司(后被Rohm收購(gòu))、創(chuàng)辦瑞典N(xiāo)orstel公司(后被ST收購(gòu)),在20多年的長(zhǎng)晶研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化中不斷去迭代工藝,最終才達(dá)到當(dāng)前的產(chǎn)品質(zhì)量。

長(zhǎng)晶技術(shù)路線仍在不斷迭代

PVT法目前仍然存在一定的局限性。該工藝是在一個(gè)封閉系統(tǒng)中完成的長(zhǎng)晶過(guò)程,其監(jiān)測(cè)和控制都具有非常高的難度,尤其像碳硅比等參數(shù)到后期控制難度極大,這也導(dǎo)致目前的碳化硅晶體很難長(zhǎng)厚,良率也一直停滯不前。因此,目前碳化硅的長(zhǎng)晶路線仍在不斷迭代,業(yè)界主要在兩種新的長(zhǎng)晶路線上進(jìn)行研發(fā)突破。

一種路線是高溫化學(xué)氣相沉積法(HTCVD),最早是在1995年由瑞典林雪平大學(xué)的Kordina提出,并已由Norstel實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)。這種方法利用氣態(tài)的高純碳源和硅源實(shí)現(xiàn)碳化硅晶體生長(zhǎng),生長(zhǎng)過(guò)程中可以持續(xù)通入氣體,因此可以實(shí)現(xiàn)更高的長(zhǎng)晶厚度和更精準(zhǔn)的碳硅比控制,同時(shí)生長(zhǎng)速度也高出PVT法一個(gè)量級(jí)。

另一種路線是液相法(LPE),但是與硅行業(yè)不同的是,碳化硅只有在相當(dāng)苛刻的高溫高壓條件下才可能呈現(xiàn)液態(tài),因此目前碳化硅液相法使用的并不是碳化硅溶液,而是在硅溶液中通過(guò)金屬助溶劑溶解碳進(jìn)而長(zhǎng)出晶體,但金屬助溶劑的使用會(huì)導(dǎo)致晶體殘留金屬雜質(zhì),不能用于后續(xù)器件的制作,因此液相法目前還處在發(fā)展早期。

下游對(duì)襯底要求越來(lái)越高

不同下游應(yīng)用對(duì)于碳化硅襯底的要求不盡相同。半絕緣型襯底并不參與器件工作,因此下游客戶僅對(duì)其導(dǎo)通電阻存在要求。而導(dǎo)電型襯底需要參與器件工作,下游客戶尤其關(guān)注缺陷相關(guān)的指標(biāo),包括微管密度、位錯(cuò)密度等。其中,車(chē)規(guī)級(jí)碳化硅襯底要求最高,需要總位錯(cuò)密度達(dá)到2000以下;而在車(chē)用細(xì)分場(chǎng)景中,主驅(qū)逆變器采用的MOSFET對(duì)襯底要求最高,需要總位錯(cuò)密度達(dá)到1500以下,達(dá)到國(guó)際龍頭Cree水平。

此外,下游應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于器件電壓等級(jí)的要求也在不斷提升。例如,新能源汽車(chē)架構(gòu)逐漸向800V演進(jìn),對(duì)應(yīng)碳化硅 MOSFET電壓等級(jí)也從650V升級(jí)到1200V。此外,軌交和電網(wǎng)等新興場(chǎng)景對(duì)碳化硅 MOSFET的要求也更高,例如目前高鐵上采用的功率器件主要為3300V-6500V的電壓等級(jí),而電網(wǎng)的要求更是在6500V以上。高電壓等級(jí)的碳化硅器件面積更大,單片晶圓可切割的碳化硅器件更少,為了確保器件良率,襯底的缺陷密度需要持續(xù)降低。

當(dāng)我們?cè)谡務(wù)撎蓟枰r底產(chǎn)能擴(kuò)張時(shí),很容易將其與長(zhǎng)晶爐數(shù)量和資金實(shí)力畫(huà)等號(hào),而忽略了其背后的技術(shù)難度。事實(shí)上,對(duì)于同樣厚度的碳化硅晶體,有的公司可以切出10余片車(chē)規(guī)級(jí)碳化硅襯底,而有的公司可能1片也切不出來(lái)。

由此可見(jiàn),碳化硅襯底是一個(gè)技術(shù)壁壘極深、需要長(zhǎng)期積累的行業(yè),不僅需要過(guò)去多年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累,還必須具備持續(xù)的技術(shù)迭代能力,才能不斷滿足市場(chǎng)的需求。目前來(lái)看,碳化硅襯底行業(yè)還是一個(gè)技術(shù)密集型而非資本密集型產(chǎn)業(yè),短期巨額資金投入很難形成持續(xù)的技術(shù)迭代能力和長(zhǎng)久的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),全球范圍內(nèi)也極少見(jiàn)真正成功的跨界公司,技術(shù)實(shí)力仍然是未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的決定性因素。

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審核編輯 :李倩

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    共讀好書(shū) 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要由襯底、外延、器件、應(yīng)用等環(huán)節(jié)組成。碳化硅晶片作為半導(dǎo)體襯底材料,根據(jù)電阻率不同可分為導(dǎo)電型、半絕緣型。導(dǎo)電型襯底可用于生長(zhǎng)碳化硅外延片,制成耐高溫、耐高壓的
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    <b class='flag-5'>碳化硅</b><b class='flag-5'>產(chǎn)業(yè)</b>鏈圖譜

    碳化硅特色工藝模塊簡(jiǎn)介

    碳化硅(SiC)是種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)異的性能,碳化硅在電力電子、微波射頻、光電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而,由于
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    <b class='flag-5'>碳化硅</b>特色工藝模塊簡(jiǎn)介

    碳化硅功率器件簡(jiǎn)介、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

    碳化硅(SiC)是種優(yōu)良的寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)等特點(diǎn),因此在高溫、高頻、大功率應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。碳化硅功率器件是利用碳化硅材料制成的電力電子器件
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    碳化硅功率器件的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

    傳統(tǒng)的硅基功率器件在應(yīng)對(duì)這挑戰(zhàn)時(shí),其性能已經(jīng)接近極限。碳化硅(SiC)功率器件的出現(xiàn),為電力電子行業(yè)帶來(lái)了革新性的改變,成為了解決這問(wèn)題的關(guān)鍵所在。
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