SiC行業(yè)深度報告：SiC東風(fēng)已來

SiC行業(yè)深度報告：SiC東風(fēng)已來SiC行業(yè)概況：第三代半導(dǎo)體材料性能優(yōu)越，新能源車等場景帶動SiC放量第三代半導(dǎo)體材料擁有寬帶隙，適用于高溫、高頻、高功率器件第一代半導(dǎo)體（間接帶隙&窄帶隙）：1950年起，以硅（Si）為代表的半導(dǎo)體材料取代了笨重的電子管，推動了以集成電路為核心的微電子產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。硅材料屬于間接帶隙（電子躍遷至導(dǎo)帶時需要改變動量，光利用率低）且?guī)墩ú荒蛪海?，適用于低壓、低頻、中功率集成電路，在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面受限。第二代半導(dǎo)體（直接帶隙&窄帶隙）：1990年起，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的半導(dǎo)體材料嶄露頭角，屬于直接帶隙且具有相對寬的帶隙，載流子速度更快、噪音更低。其適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，但受限于材料本身，難以滿足更高功率、更高電壓、更高頻率的器件需求。第三代半導(dǎo)體（直接帶隙&寬帶隙）：近年來，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的半導(dǎo)體材料備受關(guān)注，直接帶隙&寬帶隙的物理特性使其具有更高熱導(dǎo)率（2倍+）、高擊穿場強(qiáng)（~10倍）、高飽和電子漂移速率（~2倍）等優(yōu)點(diǎn)，適用于制作高溫、高頻、高功率器件，在國防、新能源汽車、光伏儲能等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。SiC作為第三代半導(dǎo)體材料具有耐高壓、耐高頻和耐高溫的優(yōu)勢SiC作為第三代半導(dǎo)體材料具備諸多顯著優(yōu)勢：（1）耐高壓：SiC材料相比于Si材料具有10多倍的擊穿場強(qiáng)，因此可以通過更低的電阻率和更薄的漂移層實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓，相同的耐壓值下，SiC功率模塊導(dǎo)通電阻/尺寸僅為Si的1/10，功率損耗大幅減少。（2）耐高頻：SiC材料不存在電流拖尾現(xiàn)象，能夠提高元件的開關(guān)速度，是硅（Si）開關(guān)速度的3-10倍，從而適用于更高頻率和更快的開關(guān)速度。（3）耐高溫：SiC材料具有禁帶寬度大(約Si的3倍)、熱導(dǎo)率高(約Si的3.3倍），熔點(diǎn)高(2830℃，約Si-1410℃的兩倍)的特點(diǎn)，因此SiC器件在減少電流泄露的同時大幅提高工作溫度。新能源汽車+光伏發(fā)電雙輪驅(qū)動碳化硅產(chǎn)業(yè)放量新能源汽車和光伏發(fā)電領(lǐng)域是SiC器件主要應(yīng)用場景。（1）新能源汽車：SiC器件主要應(yīng)用在PCU（動力控制單元，如車載DC/DC）和OBC（充電單元），相比于Si器件，SiC器件可減輕PCU設(shè)備的重量和體積，降低開關(guān)損耗，提高器件的工作溫度和系統(tǒng)效率；OBC充電時，SiC器件可以提高單元功率等級，簡化電路結(jié)構(gòu)，提高功率密度，提高充電速度。（2）光伏發(fā)電領(lǐng)域：SiC材料具有更低的導(dǎo)通電阻、柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，使用SiC-Mosfet或SiC-Mosfet與SiC-SBD結(jié)合的光伏逆變器，可將轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99%+，能量損耗降低50%+，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。新能源汽車是未來第一大應(yīng)用市場。2027年全球?qū)щ娦蚐iC功率器件市場規(guī)模有望達(dá)63億美元，2021-2027年CAGR達(dá)34%；2027年新能源汽車導(dǎo)電型SiC功率器件市場規(guī)模有望達(dá)50億美元，占比高達(dá)79%。全球已有多款SiC車型量產(chǎn)交付，SiC迎來上車導(dǎo)入期全球已有多家車企的多款車型使用SiC。2018年特斯拉率先在Model3上搭載SiC，從此拉開了碳化硅大規(guī)模上車序幕，蔚來、比亞迪、吉利、現(xiàn)代汽車等車企紛紛跟進(jìn)，特斯拉憑借先發(fā)優(yōu)勢以及Model3、ModelY等主力車型熱銷，一直是SiC裝車的主力擔(dān)當(dāng)。隨著比亞迪漢EV、蔚來ES6、理想L9等熱門車型的陸續(xù)上市，SiC裝車量得到進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)CleanTechnica，2023年1-5月SiC車型超100萬輛。從行業(yè)趨勢看，SiC上車是大勢所趨。特斯拉曾在2023年3月初的投資者大會上表示，將減少75%的SiC用量，一度引發(fā)SiC未來發(fā)展前景不明的猜測，但近期全球汽車市場卻用實(shí)際行動表達(dá)了對SiC的支持，如全球第四大汽車集團(tuán)Stellantis宣布，已與多家供應(yīng)商簽訂包括SiC在內(nèi)的半導(dǎo)體合作協(xié)議，總價值超80億元；博格華納向安森美SiC產(chǎn)品下定金額超72億元；瑞薩電子也與Wolfspeed簽署了一份為期10年的碳化硅晶圓供應(yīng)協(xié)議等。SiC襯底：材料端良率提升是關(guān)鍵，設(shè)備端生長、切片、研磨拋光各環(huán)節(jié)國產(chǎn)化率逐步提升襯底：大尺寸有效降本，國內(nèi)外龍頭均已成功研發(fā)8寸SiC襯底從電化學(xué)性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底可以被分為導(dǎo)電型和半絕緣型。半絕緣型電阻率較高（電阻率≥105Ω·cm），不易導(dǎo)電，耐高壓；導(dǎo)電型電阻率較低（電阻率區(qū)間為15~30mΩ·cm），導(dǎo)電能力強(qiáng)，根據(jù)導(dǎo)電類型可以進(jìn)一步分成N型（空穴導(dǎo)電）或者P型（電子導(dǎo)電）半導(dǎo)體。半絕緣型SiC襯底+GaN外延，主要用于制造射頻器件，應(yīng)用于5G通訊等領(lǐng)域；導(dǎo)電型SiC襯底+SiC外延，主要用于制造功率器件，應(yīng)用于新能源汽車等領(lǐng)域。

大尺寸襯底有效攤薄成本，成為行業(yè)趨勢。目前碳化硅襯底主流尺寸是4/6寸，其中半絕緣型碳化硅襯底以4寸為主，導(dǎo)電型碳化硅襯底以6寸為主。大尺寸可以攤薄單位芯片的成本，當(dāng)襯底從6寸擴(kuò)大到8寸時，可切割出的碳化硅芯片(32mm2)數(shù)量有望從448顆增加到845顆，增加了75%。目前國際上龍頭企業(yè)的碳化硅襯底正從6寸往8寸發(fā)展，國際龍頭Wolfspeed、II-VI以及國內(nèi)龍頭天岳先進(jìn)等都已成功研發(fā)8英寸襯底產(chǎn)品。長晶：碳化硅晶體生長的主流方法是物理氣相傳輸（PVT）碳化硅單晶爐的長晶方式（晶體制備方法）主要包括物理氣相傳輸（PhysicalVaporTransport,PVT）、高溫化學(xué)氣相積淀（HTCVD）及液相外延（LPE）。（1）物理氣相傳輸（PVT）是最成熟的制備方法。由于設(shè)備簡單，操作易控制，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，國外廠商Wolfspeed、II-VI、SiCrystal，國內(nèi)廠商天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、晶盛機(jī)電均選擇PVT法制備碳化硅晶體。（2）HTCVD法的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是沉積溫度的控制。HTCVD法生長晶體純度較高、可實(shí)現(xiàn)近勻速晶體生長，但良率較低、長晶成本較高。瑞典的Norstel和日本電裝公司采用HTCVD方法。（3）LPE法的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是生長速率和結(jié)晶質(zhì)量的平衡。LPE法生長的晶體質(zhì)量高、缺陷密度低，但其生長速度緩慢、生長長度受限。日本的住友金屬公司采用LPE方法。切片：切割是SiC襯底加工的首道工序，線鋸切割是主流技術(shù)SiC襯底加工精度直接影響器件性能，要求SiC晶片表面超光滑、無缺陷、無損傷。SiC單晶的加工過程主要分為切片、研磨和拋光，其中切割是SiC襯底加工的第一道工序，對后續(xù)襯底外延以及晶圓制造至關(guān)重要。SiC的硬度僅次于金剛石，屬于高硬脆材料，切割難度大。切片容易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋損傷，影響后道工藝的開展，因此對WARP（翹曲）、BOW（彎曲）、TTV（總厚度偏差）等精度控制要求很高。線鋸切割是主流技術(shù)。切割技術(shù)主要包括傳統(tǒng)鋸切、線鋸切割、激光切割、冷分離和電火花切片等，其中傳統(tǒng)鋸切（如內(nèi)圓鋸片、金剛石帶鋸）切縫大、材料損耗多，不適用于SiC晶體切割；激光切割通過激光在晶體內(nèi)部形成改性層，從碳化硅晶體上剝離出晶片，斷面質(zhì)量好&切割效率高，產(chǎn)品處于下游驗(yàn)證階段；冷分離將激光聚焦在材料內(nèi)部形成改質(zhì)層，通過冷凍膠使材料收縮從而分離晶片，幾乎無材料損耗且加工效率高，但存在光束能量均勻性問題；線鋸切割技術(shù)成熟，出片率較高，速度較快，成本便宜，是主流切割技術(shù)。磨拋：研磨初步去除SiC晶片切割中形成的表面刀痕和損傷層切片會使晶圓表面損傷，而襯底表面的缺陷和劃傷會在外延生長過程中延伸到外延層，形成外延缺陷進(jìn)而應(yīng)縣器件的良率，磨削或研磨環(huán)節(jié)的目的是對SiC晶片表面進(jìn)行前期加工，提高表面質(zhì)量，獲得相對平整的待拋光表面。研磨是在剛性研具上注入磨料，在一定的壓力下，通過工件與研具之間的相對滑動，并通過磨粒的微切削去除方式使被加工材料的表面脫落，從而提高工件的形狀精度、尺寸和降低材料的表面粗糙度的一種精密加工方法。SiC單晶襯底研磨采用金剛石研磨液進(jìn)行研磨，可分為兩道工藝：粗磨和精磨。粗磨是為了提高加工效率并去除由多線切割引起的刀痕和變質(zhì)層，使用粒徑較大的磨粒；精磨是為了去除由粗磨造成的加工損傷層，改善表面粗糙度，使用粒徑較小的磨粒。研磨有單面研磨和雙面研磨兩種方式，雙面研磨能更好的改善SiC襯底的翹曲度與平面度。磨削和單面研磨一次只能磨削襯底的一個面，而雙面研磨具有上、下兩個研磨盤，可以同時研磨襯底的兩個面。磨削或單面研磨過程中，襯底用蠟粘在鋼盤上，由于施加壓力前后襯底發(fā)生