碳化硅產業初長成

吳新竹

碳化硅屬于具有明確發展前景的第三代半導體，頭部半導體廠商與汽車、能源廠商的碳化硅合作項目不斷推出，2023年整體碳化硅功率元件市場規模預估為22.8億美元。預計到2028年，導電型碳化硅功率器件市場規模有望達到86.9億美元，半絕緣型碳化硅射頻器件市場規模有望達到22.9億美元。

從問世到初步產業化，碳化硅在新能源汽車、通訊、工業及光伏產業的應用價值得到驗證，海外頭部碳化硅制造商2023財年業績同比顯著改善，紛紛積極擴張產能。設備和襯底的國內廠商近年來技術不斷突破，下游國產器件的產品研發取得較大進展，碳化硅二極管的國內產業鏈已經成熟，MOSFET產業化加速，產業鏈6英寸產能將大幅提升，8英寸則成為彎道超車的機遇。

商業價值顯現

第三代半導體是指化合物半導體，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵、氧化鋅、氧化鋁以及金剛石等寬禁帶半導體材料。

碳化硅的襯底材料根據電阻率的不同可分為導電型和半絕緣型，導電型碳化硅功率器件需要在導電型襯底上生長出碳化硅外延，再進一步加工成MOSFET、IGBT等器件，半絕緣型碳化硅基射頻器件通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長出氮化鎵外延，進而制成HEMT等射頻器件。通過在導電型襯底上生長同質碳化硅外延可制成功率器件，主要應用于新能源汽車、光伏發電等領域，導電型碳化硅器件下游市場結構中新能源汽車占比70%，充電設備和光伏占比10%，工業占比13%。在半絕緣型襯底生長異質氮化鎵外延可制成射頻器件，主要為面向4G、5G通信基站和新一代雷達的功率放大器。

800V新能源汽車的核心部件在于功率半導體器件。主流的Si-IGBT在450V平臺下的耐壓值一般為650V，若汽車電氣架構升級到800V，考慮開關電壓開關過載等因素，耐壓等級需達到1200V。研究表明，與硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET可使電動車續航延長5%-10%，促進逆變器線圈、電容小型化、縮減電驅尺寸、減少電機鐵損，SiC MOSFET的尺寸、導通電阻和平均能量損耗分別為Si MOSFET的1/10、1/200和1/4。

2023年全球新能源汽車銷量達到1465.3萬輛，同比增長35.4%，自2018年起，各品牌新能源汽車的主驅逐步采用碳化硅方案，整車價格區間低至20萬元，頭部半導體廠商與汽車、能源廠商的合作項目不斷推出，2023年整體碳化硅功率元件市場規模預估為22.8億美元。

碳化硅器件成本是硅器件的3倍左右，是制約行業快速發展的核心因素之一，碳化硅目前在產能、成本上尚處劣勢，未來有望替代Si-IGBT實現功率半導體器件的升級換代。據預測，未來碳化硅在功率半導體的市占率將穩步增加，至2028年將達到約25%的市場占有率。

碳化硅半導體材料的各類應用產品和解決方案層出不窮，在工業及消費領域也正繼續加快滲透應用。Yole數據顯示，2022年碳化硅器件市場規模為19.7億美元，其中導電型碳化硅功率器件市場規模為17.9億美元，半絕緣型碳化硅射頻器件市場規模為1.8億美元；預計到2028年，導電型碳化硅功率器件市場規模有望達到86.9億美元，年化增速達到 30.12%，半絕緣型碳化硅射頻器件市場規模有望達到22.9億美元，年化增速達到52.79%。

國產化追趕

碳化硅晶體生長效率緩慢，易產生微管、包裹物等缺陷。長晶的難點主要在于高溫環境下的工藝控制，碳化硅的熔點約為2700度，相比之下硅的熔點僅在1410攝氏度左右，工藝控制難度大，對設備以及拉晶工藝提出了極大的挑戰。由于碳化硅硬度與金剛石接近，導致晶棒切割、研磨拋光等后端工藝也面臨較大困難。

平安證券指出，當前國產碳化硅晶圓廠在4英寸和6英寸碳化硅襯底質量上已到國際先進水平，但整體與國際廠商仍存在技術代差，8英寸碳化硅襯底蘊含著國內廠商實現彎道超車的機遇。

2018年，晶盛機電研發出6英寸碳化硅晶體生長爐，2019年研制成功6英寸碳化硅晶體生長工藝及設備，2022年又成功研發出8英寸N型SiC晶體，解決了8英寸碳化硅晶體生長過程中溫場不均、晶體開裂、氣相原料分布等難點問題，同時還破解了碳化硅器件成本中襯底占比過高的難題，為大尺寸碳化硅襯底廣泛應用打下基礎。該公司生產的SICEP系列碳化硅外延爐兼容4吋和6吋碳化硅外延生長，為單片式設備，沉積速度、厚度均勻性及濃度均勻性等技術指標已到達先進水平。

天岳先進開發了多塊拼接多線切割技術，解決了相鄰碳化硅晶體之間切割質量差的難題，一批次可實現多塊晶體的切割；設計了晶體切削液配方，大幅度降低了切割片的表面損傷；開發了一整套多線切割工藝，每項參數均計算出最優的工藝曲線，提高了切割片的面型質量。

設備和襯底廠商不斷突破的同時，下游的器件制造近年來亦取得較大進展。

揚杰科技于2022年上半年開發出650V 2A-40A、1200V 2A-40A的SiC SBD產品，1200V 40mohm的SiC MOSFET 產品于第四季度推出。斯達半導應用于乘用車主控制器的車規級SiC MOSFET模塊自2022年起開始大批量裝車應用，并新增多個使用車規級SiC MOSFET模塊的800V系統的主電機控制器項目定點，將對公司2024-2030年主控制器用車規級SiC MOSFET模塊銷售增長提供持續推動力。士蘭明鎵基于SiC-MOSFET的電動汽車主驅功率模塊已通過國內多家客戶的質量認定，與國際大廠的量產水平相當，并已接獲批量訂單開始陸續交付。

產能擴張

意法半導體、英飛凌、Wolfspeed、安森美是全球頭部碳化硅功率器件制造商，2023年，意法半導體旗下碳化硅產品營收達到了11.4億美元，較上年同期增長超60%，預計2024年碳化硅收入將達到15-16億美元，其碳化硅產品主要由位于意大利和新加坡的晶圓廠生產，該公司將繼續提高卡塔尼亞和新加坡工廠的前端設備產量，并提高摩洛哥和中國工廠的后端制造能力。

英飛凌2023 財年碳化硅業務收入約5億歐元，預計2024財年營收規模將達到7.5億歐元，未來5年內，英飛凌將再投入50億歐元在原有馬來西亞碳化硅工廠擴建二期產線，預計2027年建成，主要生產8英寸碳化硅晶圓。Wolfspeed 2023財年實現營收9.22億美元，較上年增長19%，其投資50億美元的美國碳化硅制造中心將于2024年底竣工，用于制造200mm碳化硅晶圓。

安森美在韓國碳化硅工廠2023年擴建完工，2023年安森美碳化硅出貨量超過8億美元，收入同比增長4倍，其8英寸晶圓將在2024年獲得入場認證，并于2025年實現產能爬坡及收入增長。安森美認為，未來5-10年碳化硅市場還會比較緊缺，不會出現產能過剩的情況。

天岳先進2023年度營業收入同比增長199.9%，凈利潤同比減虧，該公司上海臨港智慧工廠于2023年中開啟產品交付，第一階段30萬片的產量目標將比原計劃更早達成。士蘭明鎵公司正在加快推進“SiC功率器件生產線建設項目”的建設。目前，士蘭明鎵公司已具備月產3000片6吋SiC-MOSFET芯片的生產能力，現有產能已滿載，預計2024年年底將具備月產1.2萬片6吋SiC芯片的產能。華潤微碳化硅目前產能達到2500片/月，碳化硅MOS產品在碳化硅功率器件銷售中的比例提升至50%以上。

有關碳化硅投資的探討甚至延伸至其他行業，珠海市生態環境局官網顯示，2023年6月，格力電子元器件擴產項目環境影響報告表獲受理，未來格力在碳化硅方面的布局有待觀察。

目前，國產碳化硅二極管產業鏈已經完備，能夠穩定交付，主要應用于在光伏、儲能、直流充電樁模塊、氫燃料電池DC-DC模塊和UPS電源等領域，隨著組件電流的不斷提升，40A、50A 等更大電流的SiC二極管需求也會越來越多，對降本的要求會進一步提高。華泰證券調研指出，設備廠商反饋8英寸下訂、提貨節奏明顯加快，預計2024年8英寸或將實現1到10的突破。