限制SiC发展的因素还有哪些？

“  铲除困难，再飞一次！“qjeesmc

作为卫星通信、高压输变电、轨道交通、电动汽车等领域的重要材料，第三代半导体碳化硅成为了半导体材料里一条方兴未艾的赛道。qjeesmc

上升中的碳化硅市场

经历了2020年的反弹和汽车（尤其是电动汽车）、能源和动力终端用户细分市场的强劲消费推动，碳化硅市场将在2021年反弹。据Yole预测，2019-2025全球碳化硅市场将会以30%的复合增长率增长，市场规模预计从2020年的5.4亿美元的增长至25亿美元。qjeesmc

2020 年欧美市场的份额约为 44%，这得益于美国和加拿大市场不断增长的汽车和医疗行业投资。欧洲以27%的收入份额位列第二，亚太地区以21%的份额紧随其后。随着电源碳化硅模块在电动汽车市场的重要性日益提高，以及全球各国为新能源汽车投资数十亿美元，市场对电源碳化硅的需求将继续增加。尤其在亚太地区，汽车业的增长率将高于其他地区，预计到2026年，其收入份额将达到25%。qjeesmc

碳化硅晶片市场也主要是由欧美日主导，其中美国企业Wolfspeed（原Cree）在2020年上半年的碳化硅市场占比超过45%，加上其他主要厂商如II-VI、Si-Crystal后，碳化硅晶片市场已经被几大企业占据了88%的市场份额。Cree/Wolfspeed 和Si-Crystal等衬底供应商与英飞凌和 ST半导体等已经签署了多年供应协议。qjeesmc

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在衬底环节，我国碳化硅衬底项目已有将近30家，其中中电科半导体材料公司旗下的山西烁科晶体有限公司碳化硅产业基地一期的300台单晶生产设备，具备年产7.5万片碳化硅单晶衬底的产能；天科合达拥有一个研发中心和一个集晶体生长-晶体加工-晶片加工-清洗检测的全套碳化硅晶片生产基地；2019年获华为股份投资的山东天岳在今年九月科创板IPO获批。根据上图资料，天科合达和山东天岳在2020年上半年的市场占有率分别为有5.3%和2.6%。qjeesmc

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据芯谋研究分析，我国在外延、器件设计上技术差距与国外并不大，但在器件制造上，国内产线距离大规模稳定量产仍有距离。qjeesmc

不过国内半导体厂商也在碳化硅产业链上的各个环节上开始追赶，北方华创、中微、华峰测控等半导体设备厂商均为碳化硅材料投入研发，北方华创现已具备大尺寸、导电/高纯半绝缘型、粉料合成/晶体生长/晶锭热处理等多种技术路线的10余种设备机型，以满足碳化硅制造的需求。qjeesmc

SiC市场的驱动因素

以硅为衬底制造的功率MOSFET和IGBT在高于990V的电压下工作时，转换效率，开关频率，工作温度都成为了限制功率提高的因素。而相对于硅来说，碳化硅材料有着3倍的禁带宽度、3.3倍的热导率、2.5倍的电子饱和迁移速率和10倍的击穿电场。因此碳化硅在高温、高压、高频、大功率的环境下有着独一无二的优势。qjeesmc

自从2017年特斯拉在主逆变器中使用碳化硅后，汽车领域成为驱动碳化硅市场迅速生长的最主要因素，2020年用于汽车市场的碳化硅份额为24%。功率碳化硅晶圆应用可减少汽车中传导损耗和开关损耗，为此汽车行业为电动汽车生态系统的发展投入了超过 3000 亿美元。Yole预计汽车市场将在2026年占据碳化硅市场的60%以上。qjeesmc

电机驱动器是第二大细分市场，收入份额为11%。碳化硅能够创造近乎完美的高压二极管，其速度和功率处理功能为变频电机驱动器开辟了新的应用。预计到2026年，电力碳化硅市场规模将达到184亿美元，2021-2026年复合年均增长率为8.5%。碳化硅的解决方案正在进入多种电源市场，包括电机、消费类电子产品、能源和电力、医疗等。推动电力市场增长的关键因素是电力电子需求的增长，以及发展中国家采用基于碳化硅的光伏电池的数量激增。qjeesmc

SiC成本居高不下

虽然碳化硅市场持续景气，但其相对传统硅器件仍面临着高成本的问题，这也成为限制碳化硅市场发展的最大因素。而影响碳化硅成本的主要原因是碳化硅相关技术尚处在技术周期的上升阶段，导致在各个环节成本较高。qjeesmc

技术层面上讲，从碳化硅晶体的获得到晶片的制造以及最后器件的加工中，有许多环节的技术仍需提高。碳化硅晶体获得的难点在于，碳化硅晶体的生长对环境条件要求高，碳化硅会在2500°C的温度升华，再从气相生长为高纯度的碳化硅晶体，而硅在1400°C左右就可以融化；在把碳化物注入硅的时候，会产生缺陷密度，这又大大降低了产品的良率。qjeesmc

早期流程检测有助于提高良率，因此检测与分析设备在提高产量中意义重大，英飞凌工程师Thomas Aichinger 表示：“为了使碳化硅MOSFET与硅一样可靠，必须在加工过程中最大限度地降低栅极氧化层缺陷密度，并实施智能筛选技术来识别和消除潜在的不良器件，”在流程早期检测缺陷同时了解缺陷产生原因，这有益于改进流程从而根本上消除缺陷。qjeesmc

高通量检测主要用于检测各类缺陷，如晶体堆叠故障、微管、凹坑、划痕、污渍和表面颗粒。但碳化硅的透明度和反射率使高通量检测难度加大。器件级的栅极氧化可以通过瞬态介质击穿技术（time-dependent dielectric breakdown，TDDB) 进行检测。但目前的检测工作吞吐量仍旧较低、复杂性较高，针对碳化硅产品的检测工具相对原始，检测成本也相对较高。qjeesmc

此外，碳化硅是世界上硬度第三的复合材料，这意味着碳化硅的切割、抛光都变得很困难。目前碳化硅器件中，碳化硅衬底就占了成本的50%～70%，这是导致了碳化硅器件的高成本很大一部分原因。qjeesmc

同时，随着业界在努力发展200mm碳化硅晶圆的生产，更大尺寸的晶圆的技术难点在于必须保证与150mm碳化硅晶圆相同或更低缺陷密度和在面积增大的同时稳定晶圆的均匀程度。200mm的碳化硅晶圆在2015年首次出现，但至今仍未成为成熟的商业产品。由于碳化硅器件多用于关键的安全应用，如汽车领域，这对器件的稳定性、安全性、可靠性等要求极高。在良率无法提高的情况下，即使提高量产，也不能降低成本。qjeesmc

另外，OEM正在追求对碳化硅领域的垂直整合，这将会让他们拥有了更高的议价权，而成本的压力也因此转嫁到了一级、二级的供应商上。解决来自OEM的压力，还是需要在制造环节的厂商们通过攻克技术难点，提高良率从而降低成本。qjeesmc

SiC发展势在必行

虽然成本高，但碳化硅的高击穿电压、高功率、高开关速度和小尺寸、高带宽让碳化硅成为电子电力市场最有竞争力的材料。英飞凌的高级总监Robert Hermann表示，这种组合是目前降低汽车主逆变器和车载充电衍生系统的成本最佳解决方案。qjeesmc

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不同技术的优势，图源：英飞凌qjeesmc

除了包含车用功率器件在内还有工业机电、智能电网、消费电子等应用的电力电子领域，碳化硅的下游市场还包括以激光显示、环境监测、医疗健康等应用为代表的光电子领域；以及雷达、遥感、卫星通讯为代表的微波射频领域。qjeesmc

也正是这样的前景，碳化硅正在吸引多个大厂通过并购进入这一市场，8 月，onsemi 宣布以4.15亿美元收购碳化硅(SiC) 晶体生长技术和衬底制造商 GT Advanced Technologies；2019年意法半导体以1.375亿美元收购了NorstelAB 55%的股份；科锐也在2019年宣布投资12亿美元建设200mm的碳化硅晶圆厂。qjeesmc

而在这条初升赛道上，国内厂商正在奋力追赶。今年七月华为关联的投资机构深圳哈勃科技合伙企业已经投资了东莞天域、山东天岳、天科合达、瀚天天成等四家碳化硅相关企业；据中国电子材料行业协会统计，我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30家，近年来这些企业的规划投资总额超过300亿，规划产能超过180万片/年。qjeesmc

今年“十四五规划和2035年远景目标纲要”提出：我国将加速推动以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程。我国是全球最大的新能源汽车市场，同时我国提出“碳中和”目标也意味着新能源汽车在未来有着更加广阔的上升空间。qjeesmc

在市场与政策的双重刺激下，国产半导体厂商需要以技术为矛，在碳化硅市场突出重围。qjeesmc