SiC系統(tǒng)梳理貼

碳化硅（以下簡(jiǎn)稱“SiC”）是制造高功率器件最有前景的半導(dǎo)體材料之一。借助其出色的物理特性（高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率和高擊穿電場(chǎng)），SiC MOSFET器件可以實(shí)現(xiàn)更低的損耗和更快的開關(guān)速度，并且其幾何尺寸比硅 （Si） MOSFET更小。

市場(chǎng)應(yīng)用：

碳化硅材料的半導(dǎo)體器件可應(yīng)用于汽車、充電設(shè)備、便攜式電源、通信設(shè)備、機(jī)械臂、飛行器等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

比如汽車端：

2020年發(fā)布的比亞迪·漢EV，是國內(nèi)最早發(fā)布搭載SiC電控的車型；

2023年開年，吉利極氪001率先推出了SiC電控的新車；

1月5日，比亞迪發(fā)布會(huì)重磅發(fā)布了2款新的SiC電控的車型：比亞迪發(fā)布2款仰望車型搭載SiC電控，時(shí)隔2年，比亞迪再次公布了2款SiC電控的車型。正式發(fā)布了高端汽車品牌“仰望”，該品牌的兩款量產(chǎn)車型也同步亮相同步亮相，包括硬派越野 U8 和性能超跑 U9 。

2022年全年SiC車型發(fā)布情況

吉利：2022年發(fā)布的smart精靈#1和極氪009，分別于4月和11月發(fā)布。

雷克薩斯：2022年4月，雷克薩斯LEXUS RZ正式全球首發(fā)，其后eAxle采用了電裝的SiC組件。

Karma：2022年4月，Karma Automotive與曼哈頓汽車公司在紐約國際車展合作展示了他們的最新電動(dòng)汽車——2022 Karma GS-6，該車搭載了由Karma開發(fā)的新型SiC逆變器。

蔚萊：蔚來ES7于2022年6月發(fā)布，新一代ES8及EC7于2022年12月發(fā)布。

富士康：富士康于2022年展示了兩款電動(dòng)車——Model B 和 Model V，有望都采用SiC電控。

凱迪拉克：2022年7月，凱迪拉克2023Lyri在美國開始交付，該車采用了由 Wolfspeed 提供的SiC技術(shù)。 Lucid：2022年8月，Lucid公布了全新豪華SiC車型 Lucid Air Sapphire，計(jì)劃于2023年在美國和加拿大交付。

大運(yùn)汽車：2022年8月，大運(yùn)汽車旗下新能源汽車品牌遠(yuǎn)航汽車在2022成都車展上發(fā)布了四款SiC新車——遠(yuǎn)航Y(jié)6、遠(yuǎn)航Y(jié)7、遠(yuǎn)航H8、遠(yuǎn)航H9，預(yù)計(jì)2023年上半年上市。

廣汽埃安：2022年9月，廣汽埃安旗下的超跑車型 Hyper SSR 正式發(fā)布，搭載了900V SiC電驅(qū)，將于2023年10月量產(chǎn)交付。

功率SiC器件市場(chǎng)規(guī)模

根據(jù)披露數(shù)據(jù)，2021年10億美金，2021年到2027年的復(fù)合增速為34%，其中汽車級(jí)碳化硅的市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)增長(zhǎng)到60億美元。

SiC政策：

作為第三代半導(dǎo)體核心材料，碳化硅產(chǎn)業(yè)正在政策的支持下加速發(fā)展。從“十三五”開始，推進(jìn)半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展被明確寫入規(guī)劃中，而“十四五”出臺(tái)后，圍繞新一代半導(dǎo)體、碳化硅等材料的一系列促進(jìn)性政策的發(fā)布可以看出碳化硅行業(yè)將成為國家未來的戰(zhàn)略性行業(yè)之一。

值得關(guān)注的是，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出集中電路設(shè)計(jì)工具、重點(diǎn)裝備和高純靶材等關(guān)鍵材料研發(fā)，集中電路先進(jìn)工藝和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等特色工藝突破，先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)升級(jí)，碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展。

碳化硅單晶生長(zhǎng)方法：

碳化硅單晶的生長(zhǎng)方法主要包括三種：物理氣相傳輸法、高溫化學(xué)氣相沉積法、頂部籽晶溶液生長(zhǎng)法。

物理氣相傳輸法（PVT）：又稱為籽晶升華法。碳化硅在常壓高溫下不熔化，但在1800℃以上的高溫時(shí)，會(huì)發(fā)生分解升華成多種氣相組分，這些氣相組分在運(yùn)輸至較低溫度時(shí)又會(huì)發(fā)生反應(yīng)，重新結(jié)晶生成固相碳化硅，PVT法正是利用了該特性。

高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）：生長(zhǎng)碳化硅晶體和PVT法較為相似，反應(yīng)容器為石墨坩堝，先驅(qū)體在坩堝底下氣體通道中進(jìn)入石墨坩堝加熱區(qū)，在坩堝頂部裝有籽晶，氣體在溫度較低的籽晶處沉積生長(zhǎng)碳化硅晶體。

頂部籽晶溶液生長(zhǎng)法（TSSG）：主要用于實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)較小尺寸晶體。

SiC通常需要解決以下難題：

◆襯底和外延的缺陷水平 ◆柵極氧化物：本征壽命建模（SiC/SiO2界面表征）和非本征粒子數(shù)（篩選） ◆體二極管退化 ◆高壓阻斷 （HTRB） 期間的可靠性 ◆與應(yīng)用相關(guān)的性能（雪崩強(qiáng)固性、邊緣端接、短路、宇宙射線耐受性、高 dv/dt 耐受性設(shè)計(jì)、浪涌電流）

碳化硅的耐高壓能力是硅的10倍，耐高溫能力是硅的2倍，高頻能力是硅的2倍；相同電氣參數(shù)產(chǎn)品，采用碳化硅材料可縮小體積50%，降低能量損耗80%，各類的數(shù)據(jù)都是有明顯量級(jí)上的進(jìn)階。

從供給端看，由于碳化硅的長(zhǎng)晶速度慢，每小時(shí)僅生長(zhǎng)0.2-0.3毫米，而且在200多種晶型中僅一種可用（SiC-4H），晶棒切割難度大等因素，使得碳化硅襯底從樣品到穩(wěn)定批量供貨大約需要5年。

以WOLFSPEED為例，其襯底產(chǎn)能已經(jīng)占全球60%的份額，并獲得13億美元長(zhǎng)期協(xié)議，在車規(guī)級(jí)器件端擴(kuò)展非常迅速。目前英飛凌科技（IFNNY）、安森美等傳統(tǒng)功率器件商均在上游材料進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)。

從跟蹤了解到的情況，包括小鵬的G9等型號(hào)在內(nèi)的第一梯隊(duì)車企在2024年下半年-2025年上半年預(yù)計(jì)適用于800V-900V平臺(tái)的自研碳化硅模塊將會(huì)開展標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，安森美提供1200V碳化硅芯片，模塊封裝由車企或他們合作的代工廠負(fù)責(zé)。預(yù)測(cè)屆時(shí)出貨量較大，一年為50萬輛車甚至更多。這幾家車企現(xiàn)在也在布局芯片，力圖鎖定 2024-2030年的碳化硅供應(yīng)。因?yàn)槿绻i定得晚了。萬一后續(xù)車型變成爆款，臨時(shí)下單根本來不及。

根據(jù)披露數(shù)據(jù)，2021年10億美金，2021年到2027年的復(fù)合增速為34%，其中汽車級(jí)碳化硅的市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)增長(zhǎng)到60億美元。

下面我們拆解一下主驅(qū)模塊對(duì)應(yīng)芯片、襯底價(jià)值量的分布占比如何呢？

現(xiàn)階段芯片占60-70%，以1200V碳化硅MOS為例，襯底價(jià)值量占比約為50%，外延占20%，前道占15%左右，封裝占30%。襯底占比最大，這也是供應(yīng)鏈短板和缺貨點(diǎn)。

封裝成本也包括良率。國產(chǎn)封裝廠、純封裝代工廠最大問題在于良率難以控制，折合成本就很高，就因?yàn)橘F，所以碳化硅的良率比IGBT的良率要重要很多。

外延工藝是整個(gè)產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實(shí)現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對(duì)器件的性能是影響非常大。但外延的質(zhì)量又受到晶體和襯底的影響，可見后者的意義之重大。

碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。外延層是在晶片的基礎(chǔ)上，經(jīng)過外延工藝生長(zhǎng)出特定單晶薄膜，襯底晶片和外延薄膜合稱外延片。其中，在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層制得碳化硅同質(zhì)外延片，可進(jìn)一步制成肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。作為半絕緣型襯底材料，經(jīng)過外延生長(zhǎng)、器件制造、封裝測(cè)試，制成HEMT等微波射頻器件，適用于高頻、高溫等工作環(huán)境。

讀到這里可以得出結(jié)論襯底是核心，它和外延的質(zhì)量、價(jià)格、產(chǎn)能都很重要。

目前安森美一半外延產(chǎn)能都在國內(nèi)進(jìn)行，自己在海外也會(huì)做一部分。

碳化硅襯底的尺寸（按直徑計(jì)算）主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）等。

現(xiàn)在碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)公司主要量產(chǎn)襯底尺寸集中在 4英寸及6英寸。

在最新技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備上，以行業(yè)領(lǐng)先者 WolfSpeed 公司的研發(fā)進(jìn)程為例，它已成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品。行業(yè)預(yù)測(cè)批量化價(jià)格仍可達(dá)硅基IGBT的3-5倍。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈：

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈涉及多個(gè)復(fù)雜技術(shù)環(huán)節(jié)。依次可分為：襯底、外延、器件、終端應(yīng)用。

受制于材料端的制備難度大，良率低，產(chǎn)能小，目前產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值集中于襯底和外延部分，前端兩部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)環(huán)節(jié)僅占 30%。