電子發(fā)燒友原創(chuàng) 章鷹

2023年，車(chē)規(guī)級(jí)碳化硅器件進(jìn)入供不應(yīng)求的階段。當(dāng)前碳化硅市場(chǎng)處于結(jié)構(gòu)性缺貨中，車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品持續(xù)短缺，光伏、儲(chǔ)能需求也在增長(zhǎng)。據(jù)博世中國(guó)執(zhí)行副總裁徐大全表示，由于新能源汽車(chē)快速發(fā)展，碳化硅芯片在未來(lái)2至3年都將呈現(xiàn)供不應(yīng)求的態(tài)勢(shì)。DIGITIMES Research預(yù)測(cè)，2030年全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量有望超越5000萬(wàn)輛，將帶動(dòng)SiC功率器件于電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)銷(xiāo)售額突破八成。

5月3日，英飛凌與國(guó)內(nèi)碳化硅公司天科合達(dá)、天岳先進(jìn)簽訂長(zhǎng)期協(xié)議，以獲取高質(zhì)量且具有競(jìng)爭(zhēng)力的6英寸碳化硅晶圓和晶錠，并助力其向8英寸碳化硅晶圓過(guò)渡。

圖：天域半導(dǎo)體8英寸SiC襯底

國(guó)內(nèi)碳化硅襯底有哪些主要類(lèi)型？主要廠商推出了哪些類(lèi)型的襯底？國(guó)內(nèi)碳化硅襯底進(jìn)展如何？目前國(guó)內(nèi)SiC襯底企業(yè)與國(guó)際SiC襯底企業(yè)對(duì)比，有哪些優(yōu)劣勢(shì)？本文將做詳細(xì)的解讀。

碳化硅襯底兩大類(lèi)型 8英寸嶄露頭角

碳化硅作為第三代半導(dǎo)體，相對(duì)于硅有特定的優(yōu)勢(shì)。碳化硅功率器件具備高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對(duì)高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)車(chē)、充電樁、光伏新能源、軌道交通和智能電網(wǎng)等。

碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)是硅基的三倍，這令碳化硅器件的散熱性能突出，對(duì)冷卻系統(tǒng)的需求低，令整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量得到一個(gè)大大的降低。碳化硅MOSFET的尺寸是硅基MOSFET尺寸的十分之一，導(dǎo)通電阻大大降低?；谔蓟鑳?yōu)異的物理特性，這種材料非常適用于制作耐高壓、耐高溫、高頻的大功率器件。

圖：中電科半導(dǎo)體材料公司總經(jīng)理助理馬康夫

5月17日，在深圳半導(dǎo)體展上，來(lái)自中電科半導(dǎo)體材料公司總經(jīng)理助理馬康夫先生表示，碳化硅襯底有兩種，一種是半絕緣型碳化硅襯底在射頻器件上的應(yīng)用，根據(jù)Yole報(bào)告，隨著通信基礎(chǔ)建設(shè)和軍事應(yīng)用的需求發(fā)展，全球碳化硅基氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)從2020年的3.42億美元增長(zhǎng)到2026年的22.22億美元，期間年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到17%。半絕緣型碳化硅襯底的需求量有望因此獲益而持續(xù)增長(zhǎng)。

一種是導(dǎo)電型碳化硅器件，碳化硅功率器件具備高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對(duì)高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)車(chē)、充電樁、光伏新能源、軌道交通和智能電網(wǎng)等。根據(jù)Yole報(bào)告，2021年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模為11億美元，受益于電動(dòng)汽車(chē)、充電樁、光伏新能源等市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)2027年將增長(zhǎng)至63億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率34%。碳化硅襯底的需求因此獲益并取得快速增長(zhǎng)。碳化硅功率器件在2028年整個(gè)功率器件市場(chǎng)的份額將會(huì)達(dá)到20%以上。

此前，美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)大廠特斯拉提出減少75%的碳化硅用量，這可能基于兩個(gè)方面考慮：首先碳化硅的供應(yīng)量是否能跟上需求增長(zhǎng)；其次碳化硅成本相對(duì)比較高。業(yè)界同仁在碳化硅降低成本方面需要更多努力，以推動(dòng)碳化硅在功率器件市場(chǎng)的滲透進(jìn)一步提升。

國(guó)產(chǎn)碳化硅大尺寸化是大勢(shì)所趨。為什么要攻克8英寸襯底技術(shù)呢？馬康夫指出，8英寸SiC襯底和6英寸SiC襯底相比，襯底面積提升78%，尺寸越大，邊緣損失越少。出于成本考慮，碳化硅晶圓尺寸往更大的方向發(fā)展是必然的。晶圓尺寸更大，單片晶圓可以生產(chǎn)的器件數(shù)量就更多，帶來(lái)器件級(jí)別成本的降低。從數(shù)量上看，根據(jù) Wolfspeed 數(shù)據(jù)，從 6 英寸切換為 8英寸，碳化硅芯片數(shù)量有望從448 顆大幅增加至845顆。從成本上看，根據(jù)GTAT估計(jì)，相對(duì)于6英寸晶圓平臺(tái)，8英寸襯底將使得碳化硅器件整體成本降低20%到35%。

國(guó)產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈和最新碳化硅襯底行業(yè)進(jìn)展

中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)趙靜表示，2022年受到疫情影響，半導(dǎo)體進(jìn)入下行周期。但是在新能源汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能應(yīng)用的需求增長(zhǎng)下，第三代半導(dǎo)體的市場(chǎng)增長(zhǎng)超預(yù)期。據(jù)CASA Research預(yù)測(cè)，到2026年，中國(guó)SiC、GaN功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到366億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到36.5%。

國(guó)外碳化硅產(chǎn)業(yè)起步比較早，在下游應(yīng)用推動(dòng)下，碳化硅領(lǐng)域龍頭企業(yè)掌握從襯底-外延-器件等碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)，長(zhǎng)期霸占全球碳化硅器件市場(chǎng)。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2022 年全球碳化硅器件市場(chǎng)營(yíng)收規(guī)模較 2021 年增長(zhǎng) 66%，市場(chǎng)份額排名前六名分別為 ST、Infineon、Wolfspeed、ROHM、Onsemi（安森美） 和Mitsubishi Electric。

在國(guó)際碳化硅襯底市場(chǎng)，根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2020 年全球半絕緣型碳化硅晶片廠商中，天岳先進(jìn)排在 Wolfspeed 和貳陸公司之后，位居第三，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)在碳化硅襯底領(lǐng)域起步晚，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)了天科合達(dá)、天岳先進(jìn)、三安光電等企業(yè)；二極管/晶體管設(shè)計(jì)及模塊封裝、系統(tǒng)集成等有中芯國(guó)際、比亞迪半導(dǎo)體等，累計(jì)超過(guò) 50 家企業(yè)從事碳化硅相關(guān)業(yè)務(wù)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2022年底，碳化硅襯底項(xiàng)目上馬了40多家，到今年4月，碳化硅襯底項(xiàng)目上馬50多家，但是現(xiàn)在有效產(chǎn)能非常有限。實(shí)現(xiàn)SiC襯底產(chǎn)業(yè)化的公司包括：山西爍科晶體有限公司、山東天岳股份有限公司、北京天科合達(dá)有限公司、河北同光半導(dǎo)體股份有限公司。

目前，碳化硅6英寸襯底技術(shù)成熟，預(yù)期產(chǎn)量的增加勢(shì)必在未來(lái)帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)加劇，因此海內(nèi)外碳化硅襯底企業(yè)將8英寸晶圓開(kāi)發(fā)提上日程，國(guó)內(nèi)碳化硅企業(yè)也是進(jìn)展迅速。

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，7家產(chǎn)業(yè)公司在SiC襯底領(lǐng)域有新進(jìn)展。

去年3月，山西爍科晶體宣布，1月實(shí)現(xiàn)8英寸N型SiC拋光片的小批量生產(chǎn)。

2022年8月，晶盛機(jī)電研發(fā)出8英寸N型SiC晶體。

2022年9月，天岳先進(jìn)8英寸SiC研發(fā)成功，在籽晶生長(zhǎng)、粉料合成、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、工藝固化、過(guò)程控制、加工檢測(cè)等全流程實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控，將投資1億元推進(jìn)量產(chǎn)化。

2022年10月，南砂晶圓采用物理氣相傳輸法擴(kuò)徑獲得了8英寸4H-SiC籽晶，用于8英寸導(dǎo)電型4H-SiC晶體生長(zhǎng)，并且加工出厚度520um的8英寸4H-SiC襯底。

2022年11月，同光股份宣布已經(jīng)成功做出了8英寸SiC襯底樣片。

天科合達(dá)在2022年11月也發(fā)布了8英寸導(dǎo)電型SiC襯底，小規(guī)模量產(chǎn)的時(shí)間定在2023年。

2022年12月，科友半導(dǎo)體通過(guò)自主設(shè)計(jì)制造的電阻長(zhǎng)晶爐產(chǎn)出直徑超過(guò)8英寸的SiC單晶。

中電科半導(dǎo)體材料公司總經(jīng)理助理馬康夫介紹說(shuō)，山西爍科突破8英寸單晶生長(zhǎng)及加工工藝關(guān)鍵技術(shù)，于2022年年初制備出8英寸N型/半絕緣型碳化硅單晶襯底； 6英寸N型襯底各類(lèi)缺陷進(jìn)一步減少，各項(xiàng)指標(biāo)逐步優(yōu)化，6英寸N型襯底已通過(guò)部分下游客戶(hù)MOS產(chǎn)品驗(yàn)證。 2023年的產(chǎn)品、技術(shù)規(guī)劃大體有以下兩大方面：1、穩(wěn)定6英寸N型襯底生產(chǎn)工藝的同時(shí)，優(yōu)化改進(jìn)生長(zhǎng)加工工藝，提升良率，提升產(chǎn)品的一致性及穩(wěn)定性；2、降低生產(chǎn)成本，從生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行“瘦身”，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

馬康夫?qū)μ蓟枰r底產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望，他認(rèn)為機(jī)遇和挑戰(zhàn)并行，碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)有三大機(jī)遇：1、碳化硅襯底行業(yè)國(guó)內(nèi)外差距較??；2、建廠投資少，襯底新玩家眾多；3、產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步細(xì)分。挑戰(zhàn)在于兩點(diǎn)：1、技術(shù)壁壘相對(duì)較高，時(shí)間積累，團(tuán)隊(duì)支撐；2、導(dǎo)入窗口期有限。他給出行業(yè)的建議：1、加速提升產(chǎn)業(yè)化管理水平及規(guī)模；2、加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同合作；3、加速推動(dòng)國(guó)產(chǎn)原材料替代進(jìn)程。