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碳化硅較硅更能滿(mǎn)足高溫、高壓、高頻等需求,下游應用領(lǐng)域廣泛
碳化硅屬于第三代半導體材料,具備禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿場(chǎng)強高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)。碳化硅為第三代半導體材料典型代表,相較于硅材料等前兩代半導體材料,其禁帶寬度更大,在擊穿電場(chǎng)強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關(guān)鍵 參數方面有顯著(zhù)優(yōu)勢?;谶@些優(yōu)良特性,碳化硅襯底在使用極限性能上優(yōu)于硅襯底,可 以滿(mǎn)足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求。因此,碳化硅材料制備的射頻器 件及功率器件可廣泛應用于新能源汽車(chē)、光伏、5G 通信等領(lǐng)域,是半導體材料領(lǐng)域中具備 廣闊前景的材料之一。
碳化硅用于制作功率及射頻器件,產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底制備、外延層生長(cháng)、器件及下游應用。根據電化學(xué)性質(zhì)不同,碳化硅晶體材料分為半絕緣型襯底(電阻率高于 10 5Ω·cm)和導電型襯底(電阻率區間 15~30mΩ·cm)。不同于傳統硅基器件,碳化硅器件不可直接制作于襯底上,需先使用化學(xué)氣相沉積法在襯底表面生成所需薄膜材料,即形成外延片,再進(jìn)一步制成器件。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(cháng)氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵外延片,可制成 HEMT 等微波射頻器件,適用于高頻、高溫工作環(huán)境,主要應用于 5G 通信、衛星、雷達等領(lǐng)域。在導電型碳化硅襯底上生長(cháng)碳化硅外延層制得碳化硅外延片,可進(jìn)一步制成碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 等功率器件,適用于高溫、高壓工作環(huán)境,且損耗低,主要應用于新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域。
國內外廠(chǎng)商積極布局碳化硅,產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善。以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底制備、外延層生長(cháng)、器件及模組制造三大環(huán)節。伴隨更多廠(chǎng)商布局碳化硅賽道,產(chǎn)業(yè)鏈加速走向成熟。目前,碳化硅行業(yè)企業(yè)形成兩種商業(yè)模式,第一種覆蓋完整產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節,同時(shí)從事碳化硅襯底、外延、器件及模組的制作,例如 Wolfspeed、Rohm;第二種則只從事產(chǎn)業(yè)鏈的單個(gè)環(huán)節或部分環(huán)節,如Ⅱ-Ⅵ僅從事襯底及外延的制備,英飛凌則只 負責器件及模組的制造。當前,國內的碳化硅生產(chǎn)廠(chǎng)商大多屬于第二種商業(yè)模式,聚焦產(chǎn)業(yè)鏈部分環(huán)節。
SiC 較 IGBT 具備耐高壓、低損耗和高頻三大核心優(yōu)勢
SiC MOSFET 較 IGBT 可同時(shí)具備耐高壓、低損耗和高頻三大優(yōu)勢。1)碳化硅擊穿電場(chǎng)強度是硅的十余倍,使得碳化硅器件耐高壓特性顯著(zhù)高于同等硅器件。2)碳化硅具有 3 倍于硅的禁帶寬度,使得 SiC MOSFET 泄漏電流較硅基 IGBT 大幅減少,降低導電損耗。同時(shí), SiC MOSFET 屬于單極器件,不存在拖尾電流,且較高的載流子遷移率減少了開(kāi)關(guān)時(shí)間,開(kāi)關(guān)損耗因此得以降低。根據 Rohm 的研究,相同規格的碳化硅 MOSFET 較硅基 IGBT 的總能量損耗可大大減低 73%。3)涵蓋 MOSFET 自身特點(diǎn),較 IGBT 具備高頻優(yōu)勢。此外,據 Wolfspeed 研究顯示,相同規格的碳化硅基 MOSFET 與硅基 MOSFET 相比,其尺寸可 大幅減少至原來(lái)的 1/10。
碳化硅助力新能源汽車(chē)實(shí)現輕量化及降低損耗,增加續航里程。1)碳化硅較硅擁有更高熱導率,散熱容易且極限工作溫度更高,可有效降低汽車(chē)系統中散熱器的體積和成本。同時(shí),SiC 材料較高的載流子遷移率使其能夠提供更高電流密度,在相同功率等級中,碳化硅功率 模塊的體積顯著(zhù)小于硅基模塊,進(jìn)一步助力新能源汽車(chē)實(shí)現輕量化。2)SiC MOSFET 器件較硅基 IGBT 在開(kāi)關(guān)損耗、導電損耗等方面具備顯著(zhù)優(yōu)勢,其在新能源汽車(chē)的應用可有效降低損耗。根據豐田官網(wǎng),豐田預測 SiC MOSFET 的應用有助于提升電動(dòng)車(chē)的續航里程約 5%-10%。3)由于 SiC 材料具備更高的功率密度,所以同等功率下,SiC 器件的體積可以縮小至 1/2 甚至更低;4)由于 SiC MOSFET 的高頻特性,SiC 的應用能夠顯著(zhù)減少電容、 電感等被動(dòng)元件的應用,簡(jiǎn)化周邊電路設計。從特斯拉的方案來(lái)看,主逆變器采用 SiC 能顯著(zhù)降低損耗和提升功率密度。特斯拉 Model 3 在主逆變器中率先采用 SiC 方案(搭意法半導體的 SiC MOSFET 模組),替代原先 Model X 主逆變器方案(搭載英飛凌的 IGBT 單管)。對比產(chǎn)品參數可知,所用 SiC MOSFET 的反應恢復時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗均顯著(zhù)降低。同時(shí),Model 3 主逆變器上有 24 個(gè) SiC 模塊,每個(gè)模塊內含 2 顆 SiC 裸晶,共用到 48 顆 SiC MOSFET, 如果仍采用 Model X 的 IGBT,則需要 54-60 顆。該方案使得 Model 3 主逆變器的整體結構 更為簡(jiǎn)潔、整體質(zhì)量和體積更輕、功率密度更高。
乘碳中和之東風(fēng),2025 年市場(chǎng)規模有望較 2020 年翻 5 倍
2020 年全球 SiC 器件市場(chǎng)規模達 11.84 億美元,預計到 2025 年有望增長(cháng)至 59.79 億美元,對應 CAGR 為 38.2%。根據我們的測算,在碳中和趨勢下,受益于 SiC 在新能源汽車(chē)、光 伏、風(fēng)電、工控等領(lǐng)域的持續滲透,SiC 功率器件市場(chǎng)規模有望從 2020 年的 2.92 億美元 增長(cháng)至 2025 年的 38.58 億美元,對應 CAGR 為 67.6%;5G、國防驅動(dòng) GaN-on-SiC 射頻 器件加速滲透,逐步取代硅基 LDMOS,SiC 射頻器件市場(chǎng)規模有望從 2020 年的 8.92 億美 元增長(cháng)至 2025 年的 21.21 億美元,對應 CAGR 為 18.9%。下游 SiC 功率及射頻器件高速 增長(cháng)的需求也將帶動(dòng) SiC 材料市場(chǎng)規??焖俪砷L(cháng),按照 SiC 材料在 SiC 器件中價(jià)值量占比 50%計算(根據 CASA),預計將由 2020 年的 5.92 億美元增長(cháng)至 2025 年的 29.90 億美元, 對應 CAGR 為 38.2%。
從下游領(lǐng)域來(lái)看,我們認為新能源汽車(chē)為 SiC 市場(chǎng)的核心驅動(dòng)力。新能源汽車(chē)逐步向 800V 架構時(shí)代邁進(jìn),SiC 相比于 IGBT 在耐高壓、耐高溫、頻率、損耗、質(zhì)量體積等方面優(yōu)勢更加明顯。同時(shí)隨著(zhù)全球產(chǎn)能開(kāi)出及良率提升,SiC 價(jià)格下探將驅動(dòng)其在新能源車(chē)中的逆變器、 OBC 等部件中加速滲透。根據 Wolfspeed 和我們的測算,2020 年全球 SiC 器件市場(chǎng)規模 中,新能源汽車(chē)領(lǐng)域占比約為 22.51%,隨著(zhù) SiC 在主逆變器和 OBC 中的加速滲透,我們預計到 2025 年占比將提升至 50.26%,為第一大驅動(dòng)力。此外,基于 SiC 較 IGBT 的性能優(yōu)勢,隨著(zhù) SiC 器件及模塊成本的下降,我們預計 SiC 在光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電領(lǐng)域滲透率也將逐步提升,預計市場(chǎng)規模占比到 2025 年提升至 8.84%;工控市場(chǎng)規模占比到 2025 年提升至 5.43%。
海外廠(chǎng)商普遍看好 SiC 市場(chǎng)空間,相關(guān)業(yè)務(wù)業(yè)績(jì)展望樂(lè )觀(guān)
Wolfspeed 看好碳化硅器件與材料廣闊市場(chǎng)空間,預計 2026 年將分別突破 89/17 億美元。
(1)碳化硅器件方面,Wolfspeed 預計 2022年市場(chǎng)規模將達到 43 億美元,2024 年進(jìn)一 步增長(cháng)至 66 億美元,并于 2026 年突破 89 億美元。碳化硅器件市場(chǎng)增長(cháng)驅動(dòng)力主要來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)、射頻、工業(yè)及能源領(lǐng)域,其中,在電動(dòng)汽車(chē)大勢所驅背景下,碳化硅材料在 400V 和 800V 充電架構中的優(yōu)勢日益凸顯,Wolfspeed 預計 2026年汽車(chē)器件將占據超 50%的市場(chǎng)規模,2023-2026 年 CAGR 達 30%;此外,隨成本下降,碳化硅器件在工業(yè)市場(chǎng)的應用將更加廣泛,Wolfspeed 預計遠期有望創(chuàng )造超 400 億美元市場(chǎng)空間。
(2)碳化硅材料方面, Wolfspeed 認為市場(chǎng)供應將持續增加,但產(chǎn)能仍將供不應求,Wolfspeed 預計 2022 年碳化 硅材料市場(chǎng)達 7 億美元,2024 年進(jìn)一步增長(cháng)至 12 億美元,并于 2026 年突破 17 億美元, 2022 至 2026 年增長(cháng)近 2.5 倍。同時(shí),公司預期 150mm 向 200mm 工藝節點(diǎn)的轉變將帶來(lái)成本優(yōu)化,進(jìn)一步促進(jìn)市場(chǎng)需求擴增。
市場(chǎng)空間逐步打開(kāi),碳化硅材料及器件主要供應商業(yè)績(jì)展望樂(lè )觀(guān)。Wolfspeed 為全球碳化 硅材料及器件龍頭供應商之一,據 Yole 及 Wolfspeed 測算,Wolfspeed 在碳化硅材料市場(chǎng) 份額長(cháng)期穩定在 60%以上。截止 2021 年 11 月,與意法半 導體、英飛凌、安森美等客戶(hù)簽訂的長(cháng)期意向訂單達 13 億美元。Wolfspeed 預計在電動(dòng)汽 車(chē)及 5G 等終端對碳化硅器件的強勁需求驅動(dòng)下,2024 財年公司營(yíng)收有望達 15 億美元, 2026 財年增長(cháng)至 21 億美元。英飛凌同樣為推動(dòng)半導體行業(yè)從硅基向碳化硅基發(fā)展的核心 力量之一,公司測算 2021 年碳化硅相關(guān)收入為 2 億美元,預期 2025 年將突破 10 億美元, 占據全球市場(chǎng) 30%市場(chǎng)份額。此外,安森美和意法半導體預期公司碳化硅相關(guān)收入將分別 于 2023 年和 2024 年突破 10 億美金。
競爭格局:襯底及外延市場(chǎng)集中度高,器件領(lǐng)域海外廠(chǎng)商占絕對主導
碳化硅襯底市場(chǎng)高度集中,Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ全面領(lǐng)先。碳化硅襯底為碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節,據 Yole 數據,2020 年半絕緣型碳化硅襯底和導電型碳化硅襯底市場(chǎng)規模分別達 1.82 億、2.76 億美元。其中,1)Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、山東天岳三家寡頭壟斷半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)。2020 年 Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ及山東天岳占據 98%市場(chǎng)份額,市場(chǎng)高度集中。從產(chǎn)品規格 上看,Wolfspeed 已實(shí)現 4 英寸及 6 英寸產(chǎn)品量產(chǎn)并開(kāi)始建設 8 英寸產(chǎn)線(xiàn),國內廠(chǎng)商山東天岳雖市占率行業(yè)領(lǐng)先,但公司預計 2023 年方能實(shí)現 6 英寸產(chǎn)品量產(chǎn),仍存在一定差距。2) 導電型碳化硅襯底市場(chǎng) Wolfspeed 一家獨大。Wolfspeed 憑借較早布局先發(fā)優(yōu)勢,在良率及產(chǎn)能上遙遙領(lǐng)先,2020 年占據 60%市場(chǎng)份額,Ⅱ-Ⅵ以 11%市場(chǎng)份額位居第二。
Wolfspeed、Showa Denko 雙寡頭壟斷碳化硅外延片市場(chǎng)。碳化硅外延片屬于行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節,參與廠(chǎng)商多為 IDM 公司,Industry Research 測算 2020 年全球碳化硅外延片市 場(chǎng)規模約為 1.72 億美元。據 Yole 數據,2020 年 Wolfspeed 與 Showa Denko 分別占據碳化硅導電型外延片市場(chǎng)52%和43%的市場(chǎng)份額,合計高達95%,具備顯著(zhù)的制備技術(shù)優(yōu)勢。其他碳化硅外延供應商包括Ⅱ-Ⅵ、Norstel、羅姆、三菱電機、英飛凌,占據市場(chǎng)較小份額。國內碳化硅外延片主要制造廠(chǎng)商有瀚天天成和東莞天域半導體,兩者均已具備供應 4-6 英 寸外延片實(shí)力,待產(chǎn)能進(jìn)一步釋放。
歐美廠(chǎng)商占據 SiC 功率器件市場(chǎng)主要份額。SiC 功率器件制造工藝壁壘較高,目前市場(chǎng)主要廠(chǎng)商為傳統硅基功率器件巨頭及借助 SiC 材料介入器件領(lǐng)域的新銳玩家 Wolfspeed,市場(chǎng)集中度高于 IGBT 器件及模塊市場(chǎng)。據 Yole 數據,2020 年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規模約 5~6 億美元,市場(chǎng) CR5 達 90.8%,顯著(zhù)高于 IGBT 器件及模塊市場(chǎng)的 62.8%和 66.7%,歐美廠(chǎng)商占據主要市場(chǎng)份額。其中,意法半導體成功研制全球第一款大規模應用于電動(dòng)汽 車(chē)的 SiC MOSFET 模塊,與特斯拉的合作為其累積大量市場(chǎng)份額,2020 年達 40.5%。國 內廠(chǎng)商在 SiC 功率器件領(lǐng)域入局較晚,主要玩家泰科天潤、基本半導體、華潤微等市場(chǎng)份額較小,但由于行業(yè)處于早期階段,格局尚未定型,國內廠(chǎng)商仍有較大替代空間。
新能源汽車(chē):800V 架構下的甜蜜時(shí)刻,SiC 滲透的核心驅動(dòng)力
SiC 功率器件主要包括 SBD、JFET、MOSFET 和模塊,在新能源汽車(chē)相關(guān)應用場(chǎng)景主要為 逆變器、OBC、及直流充電樁。我們認為當前碳化硅滲透仍處于早期,主要器件類(lèi)型為 SiC 二極管,以及在高端車(chē)系應用,目前滲透率較低。未來(lái)隨著(zhù):1)特斯拉、比亞迪等頭部新能 源車(chē)廠(chǎng)帶來(lái)的“示范效應”,更多車(chē)企將會(huì )逐步采用 SiC 方案;2)碳化硅器件價(jià)格逐步下降, 成本經(jīng)濟效益不斷提升;3)800V 架構時(shí)代來(lái)臨,SiC 在高壓下較 IGBT 性能優(yōu)勢更為明顯,損耗降低幅度更大。我們認為 SiC 在新能源車(chē)主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。
碳化硅器件在新能源汽車(chē)中應用進(jìn)入快速滲透期。2018 年,特斯拉 Model 3 率先使用由意法半導體提供的 SiC MOSFET,開(kāi)啟電動(dòng)汽車(chē)使用 SiC 先河,隨后比亞迪、保時(shí)捷、豐田等汽車(chē)制造商陸續推出應用碳化硅器件新車(chē)型。其中,在 2020 年比亞迪漢搭載自主研發(fā)制造的 SiC MOSFET 控制模塊,整體加速性能及續航能力均得到顯著(zhù)提升。2021 年,碳化硅器件在新能源汽車(chē)中應用進(jìn)入快速增長(cháng)階段,國內外眾多車(chē)型均開(kāi)始應用碳化硅器件。根據各公司公告信息,我們可以看到在未來(lái)幾年,小鵬、捷豹、路虎、雷諾等越來(lái)越多的 廠(chǎng)商將在其新車(chē)型中使用 SiC 器件,新能源汽車(chē)中應用 SiC 器件以提升性能、實(shí)現輕量化為大勢所趨。
新能源車(chē)充電及里程焦慮凸顯,800V 架構時(shí)代來(lái)臨
充電焦慮逐漸成為當前電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的問(wèn)題,800V 架構是解決充電焦慮的主流方案。電動(dòng)車(chē)普及過(guò)程中主要面臨續航和充電兩大問(wèn)題。續航里程目前已不是最大阻礙,根據蔚來(lái)、特斯拉、小鵬等的官網(wǎng),主流品牌電動(dòng)車(chē)續航里程約在 500 公里左右,即將推出的蔚來(lái) ET7、理想 X01 等預計續航里程超 800 公里。對于提升充電效率,方案包括換電及大功 率快充。由于各品牌各車(chē)型電池差異,換電站推廣較為依賴(lài)車(chē)企自建,普適性低且成本高。大功率充電包括大電流和高電壓兩種方案,大電流方案代表企業(yè)為特斯拉,根據焦耳定律, 該方案將顯著(zhù)增加充電過(guò)程中的熱量,需要更粗的線(xiàn)束同時(shí)對系統散熱要求更高。此外,根據新出行測評,特斯拉大電流 V3 超充樁在大部分時(shí)間內并不能達到最大功率充電。
目前,高壓快充已成為大功率快充主流方案,提升充電速度的同時(shí),減小電損耗。2019 年 保時(shí)捷推出全球首個(gè)量產(chǎn)的 800V 架構電動(dòng)車(chē) Taycan,可實(shí)現充電 15 分鐘將 Taycan 電量 從 0 提升至 80%。此后,國內外車(chē)企紛紛布局高壓快充方案,現代、起亞小鵬、比亞迪等 相繼或計劃發(fā)布 800V 高壓快充平臺,小鵬 G9 可實(shí)現“充電 5 分鐘,續航 200 公里”。我們 認為,800V 架構時(shí)代正加速到來(lái)。
此外,800V 系統可有效減少車(chē)身重量,實(shí)現續航提升。在相同功率的情況下,800V 系統較 400V 系統電流降低一半,可減少系統熱損耗及導線(xiàn)橫截面。根據 e-technology 的估算,以 100kWh 的電池為例,從 400V 電車(chē)系統提升為 800V 電車(chē)系統,由于電池散熱減重及導線(xiàn)質(zhì)量降低可以推動(dòng)整車(chē)實(shí)現 25kg 的重量降低,從而提升續航。
主逆變器:800V 系統下 SiC MOSFET 大顯身手,降低主逆變器損耗及體積
目前已有多家車(chē)企在主逆變器中采用 SiC MOSFET 方案替代 IGBT 方案,如特斯拉 Model 3、 比亞迪漢高性能版等。Model 3 共用到 48 顆意法半導體的 SiC MOSFET,如果仍采用 Model X 的英飛凌的 IGBT,則需要 54-60 顆。即使成本上升 370 美金左右,但特斯拉考慮到損耗降低及體積節約等因素而選擇 SiC 方案。我們認為 800V 架構下 SiC MOSFET 在新能源車(chē)的主逆變器中滲透率將進(jìn)一步提升??紤]到成本因素,會(huì )率先在中高端車(chē)型上使用。
1)損耗更低:根據 ST 的數據,800V 系統下,1200V SiC MOSFET 較 IGBT 總損耗更低, 在常用的 25%負載下,SiC MOSFET 損耗最多低于 IGBT 80%,在 100%負載下,SiC MOSFET 損耗最多低于 IGBT 60%。
2)高壓下性能優(yōu)勢更加明顯:在 400V 左右的直流母線(xiàn)電壓下,需要最大工作電壓在 650V 左右的 IGBT 模塊或單管。在 800V 的系統電壓下,功率器件耐壓需要提高到 1200V 以上。英飛凌、賽美控、羅姆、富士電機等均推出了 1200V 的車(chē)規級 IGBT,但對比之下,SiC 器件在高壓下性能更好。根據 ST 的數據,在 400V 電壓平臺下,SiC MOSFET 能夠比 IGBT 器件擁有 2-4%的效率提升;而在 750V 電壓平臺下其提升幅度則可增大至 3.5-8%。對比市場(chǎng)上的領(lǐng)先 SiC MOSFET 和 IGBT 器件參數可知,1200V SiC 產(chǎn)品優(yōu)勢較 650V 產(chǎn)品優(yōu)勢更加明顯,主要體現為損耗降低幅度更大。
3)耐高溫:SiC 的結溫更高,能夠在超過(guò) 175 度的高溫下正常工作,較 IGBT 更加適合高溫環(huán)境。
4)體積節約:根據 ST,在 10kHz 工作頻率和 800V 架構的情況下,對于一個(gè) 210kW 的逆變器,若采用全 SiC MOSFET 方案替代原先 IGBT 及二極管方案:1)使用總功率器件體積可從 600mm2 縮小 5 倍至 120mm2;2)開(kāi)關(guān)損耗和總損耗分別縮小為原來(lái)的 3.9/1.9 倍。3)損耗的降低使得 PCU(電源控制單元)的尺寸得以減少,相對應的冷卻系統體積也將得以簡(jiǎn)化。
OBC:SiC 助力實(shí)現效率提升、輕量化及系統成本降低
OBC 典型電路結構由前級 PFC 電路和后級 DC/DC 輸出電路兩部分組成。二極管和開(kāi)關(guān)管 (IGBT、MOSFET 等)是 OBC 中主要應用的功率器件,采用 SiC 替代可實(shí)現更低損耗、 更小體積及更低的系統成本。
OBC 中采用 SiC 二極管整體損耗低且耐高溫能力更強。OBC 的前級 PFC 電路和后級 DC/DC 輸出電路中會(huì )使用到快恢復硅基二極管。1)影響二極管損耗的指標包括正向導通壓降(VF)、反向恢復電流(IR)、輸入電容(QC)和開(kāi)通關(guān)斷速度等。相比于硅基 SBD, SiC SBD 的最大優(yōu)勢在于 IR 可以忽略不計,使得反向恢復損耗極低,在 PFC 電路使用 SiC SBD 可有效提升 PFC 電路效率。同時(shí),QC、VF 兩個(gè)主要參數相比硅基二極管也具有優(yōu)勢, 在后級輸出電路中使用 SiC SBD 可以進(jìn)一步提升輸出整流的效率。同時(shí),由于 SiC 材料的 優(yōu)勢,SiC 二極管的結溫更高,其可在更高溫度下保持正常工作狀態(tài),在高溫環(huán)境下較硅基 二極管更有優(yōu)勢。此外,SiC 二極管可實(shí)現更高頻率及功率密度,從而提升系統整體效率。
全 SiC MOSFET 方案降低 OBC 系統尺寸、重量和成本,同時(shí)提高運行效率。根據Wolfspeed 的研究,采用全 SiC MOSFET 方案的 22 kW 雙向 OBC,可較 Si 方案實(shí)現功率器件和柵極 驅動(dòng)數量都減少 30%以上,且開(kāi)關(guān)頻率提高一倍以上,實(shí)現系統輕量化和整體運行效率提 升。SiC 系統在 3kW/L 的功率密度下可實(shí)現 97%的峰值系統效率,而 Si OBC 僅可在 2kW/L 的功率密度下實(shí)現 95%的效率。同時(shí),進(jìn)一步拆分成本,由于 SiC 器件的性能可減少 DC/DC 模塊中所需大量的柵極驅動(dòng)和磁性元件。因此,盡管相比單個(gè) Si 基二極管和功率晶體管, SiC 基功率器件的成本更高,但整體全 SiC 方案的 OBC 成本可節約 15%左右。
SiC 器件與傳統產(chǎn)品價(jià)差持續收窄,具備經(jīng)濟效益指日可待
SiC 器件價(jià)格持續下降,與硅基器件價(jià)差已縮小至 2-3 倍。SiC SBD 方面,根據 Mouser 數據顯示,公開(kāi)報價(jià)方面,650V的SiC SBD 2020年底與Si器件的價(jià)差在3.8倍左右;1200V 的 SiC SBD 的平均價(jià)與 Si 器件的差距在 4.5 倍左右。根據 CASA Research,實(shí)際成交價(jià) 低于公開(kāi)報價(jià)。2020 年,650V 的 SiC SBD 的實(shí)際成交價(jià)格約 0.7 元/A;1200V 的 SiC SBD 價(jià)格約 1.2 元/A,較上年下降了 20%-30%,實(shí)際成交價(jià)與 Si 器件價(jià)差已經(jīng)縮小至 2-2.5 倍 之間。SiC MOSFET 實(shí)際成交價(jià)格方面,根據 CASA Research,650V 的 SiC MOSFET 價(jià)格 0.9 元/A;1200V 的 SiC MOSFET 價(jià)格 1.4 元/A,較 2019 年下降幅度達 30%-40%, 與 Si 器件價(jià)差也縮小至 2.5-3 倍之間,基本達到甜蜜點(diǎn),將加速 SiC MOS 器件的市場(chǎng)滲透。
綜上,目前 SiC MOSFET 單價(jià)約為 IGBT 單價(jià)的 3-4 倍,目前主逆變器中的 IGBT 成本約為 1500 元,若全部替換為 SiC MOSFET,考慮到器件節約,我們預計成本將增加 3000-4000 元左右。以當前成本來(lái)看,根據寧德時(shí)代、松下、LG 新能源等的電池成本數據,電動(dòng)車(chē)動(dòng) 力電池度電單價(jià)約為 750 元,我們認為到 2025 年有望降至 560 元;根據特斯拉、小鵬等 在售車(chē)型的電池容量,當前電動(dòng)車(chē)平均電池容量約為 55kwh,在百公里電耗逐步下降及續航里程不變的情況下,到2025 年平均電池容量有望降至 43kwh,則 2022/2025E 電池包的價(jià)格為 41250/24000 元。
根據豐田的實(shí)驗數據,采用全碳化硅模塊可使續航里程提升 5-10%, 我們假設這將節約電池成本 5-10%。根據我們的測算,若僅考慮電池成本節約, 當 SiC MOSFET 成本下降到 IGBT 器件成本的 2 倍左右時(shí),將具備經(jīng)濟效益。若考慮使用 SiC 帶來(lái)的冷卻系統節約、外圍器件節約、整體空間節約等,當 SiC MOSFET 成本下降到 IGBT 成本的 2-2.5 倍時(shí)采用 SiC 方案就將具備經(jīng)濟效益。
預計 2025 年全球新能源汽車(chē) SiC 市場(chǎng)規模將達到 30.1 億美元
根據我們的測算,2020 年全球新能源汽車(chē) SiC 器件及模塊市場(chǎng)規模為 2.7 億美元,預計到 2025 年達 30.1 億美元,對應 CAGR 為 62.3%;由此帶來(lái)的 2020 年對 SiC 晶圓(6 寸) 的消耗量達 13.7 萬(wàn)片,預計到 2025 年將達 199.6 萬(wàn)片,對應 CAGR 為 71.0%。我們認為 全球新能源汽車(chē)滲透率的快速提升將驅動(dòng) SiC 市場(chǎng)規模高速增長(cháng),我們采取自上而下的方 式,以新能源汽車(chē)銷(xiāo)量為基礎,考慮單車(chē) SiC 器件或模塊的價(jià)值量、不同零部件 SiC 滲透 率等假設來(lái)進(jìn)行測算。我們的核心假設如下:
1)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量:我們預計全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)量將由 2020 年的 277.3 萬(wàn)輛增長(cháng)至 2025 年的 2,121.7 萬(wàn)輛,對應 CAGR 為 50.2%,其中中國大陸和北美市場(chǎng)為主要驅動(dòng)力,CAGR 分別為 56.3/79.0%。
2)SiC 滲透率:我們認為 SiC 在新能源汽車(chē)中的應用場(chǎng)景主要為 OBC 和主逆變器,將率先逐步替代 MOSFET、IGBT 等方案。我們預計性能優(yōu)勢將使得 SiC 在 OBC 中的滲透率從 2020 年的 23.0%提升至 2025 年的 43.0%,在主逆變器中的滲透率將由 2020 年 16.0%提 升至 2025 年的 38.0%。由于小鵬、蔚來(lái)、雷諾、路虎等車(chē)企宣布將在 2022 年開(kāi)始大規模應用碳化硅方案,我們預計 SiC 方案滲透將在 2022 年開(kāi)始加速。
3)單車(chē)價(jià)值量:目前在主逆變器中的應用主要為 SiC 模塊,價(jià)值量較高;OBC 中主要以單管器件為主。根據 Mouser、Digikey、特斯拉、比亞迪等數據,目前主逆變器/OBC 中 SiC 模塊或器件的價(jià)值量約為 500/40 美金,我們認為隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節的成熟、上游積極擴產(chǎn),單車(chē)碳化硅成本將逐漸下降,對 IGBT 的成本溢價(jià)將不斷縮小。
4)消耗晶圓數:根據我們對 SiC 模塊和器件的市場(chǎng)規模的測算,根據單個(gè)晶圓能夠切割 SiC 模塊/器件的數量,由此測算新能源汽車(chē)市場(chǎng)將消耗的 SiC 晶圓數。
直流充電樁:大功率充電占比提升,SiC 將加速替代
大功率直流充電樁需求旺盛,SiC 協(xié)力實(shí)現高效快充。政策方面,《2020 年政府工作報告》 中已將充電基礎設施納入新基建七大產(chǎn)業(yè)之一;《2020 年能源工作指導意見(jiàn)》中指出要加強充電基礎設施建設,提升新能源汽車(chē)的充電保障能力。直流充電方式相較家用標準交流電充電方式速度大幅提高,一個(gè) 150kW 的直流充電器可以在大約 15 分鐘內為電動(dòng)汽車(chē)增 加 200 公里續航,隨電動(dòng)汽車(chē)滲透率進(jìn)一步提高,直流電充電方案需求將同步提升。Yole 預計 2020-2025 年,全球 200kW 及以上的大功率直流充電樁數量將以超過(guò) 30%的 CAGR 增長(cháng),高于平均的 15.6%。SiC 器件和模塊具備耐高溫、耐高壓以及低損耗等優(yōu)勢,可被廣泛應用于電動(dòng)車(chē)直流充電方案中 AD-DC PFC、DC-DC 以及閘門(mén)驅動(dòng)器等環(huán)節中,實(shí)現 更高效電動(dòng)車(chē)直流充電方案。
1)SiC MOSFET 可簡(jiǎn)化直流充電樁 AC/DC 及 DC/DC 電路結構,減少器件數量實(shí)現充電效率提升。根據英飛凌,在 DC/DC 中,使用 4 顆 1200V SiC MOSFET 替代 8 顆 650V 硅 基 MOSFET,在同樣功率下,可將原來(lái)的兩相全橋 LLC 電路簡(jiǎn)化為單相全橋 LLC 電路,所用器件數量減少 50%,提升電路整體效率。同樣在 AC/DC 中,使用 SiC MOSFET 可將 三相 Vienna 整流器拓撲電路簡(jiǎn)化為兩相結構,器件數量減少 50%實(shí)現效率提升。同時(shí),SiC MOSFET 的整體損耗也更小。綜上,SiC 方案能使得整體充電器體積更小、功率密度更高、充電效率更高,更好的滿(mǎn)足快充要求。
2)SiC 二極管方案可實(shí)現效率提升及輸出功率增加。根據英飛凌,在 48kHz 下,采用 SiC 二極管替代 Si 二極管,可顯著(zhù)降低損耗從而提升 0.8%的充電效率,可實(shí)現最多 80%輸出功率的提升。
光伏:SiC 光伏逆變器性能提升顯著(zhù),廣泛應用未來(lái)可期
據天科合達招股書(shū),基于硅基器件的傳統逆變器成本約占光伏發(fā)電系統 10%,卻是系統能量損耗的主要來(lái)源之一。根據英飛凌,使用 SiC MOSFET 功率模塊的光伏逆變器,其轉換效率可從 98.8%提升至 99%以上,能量損耗降低 8%,相同條件下輸出功率提升 27%,推動(dòng)發(fā)電系統在體積、壽命及成本上實(shí)現重要突破。英飛凌最早于 2012 年推出 CoolSiC 系列產(chǎn)品應用于光伏逆變器,2020 年以來(lái),西門(mén)子、安森美等眾多廠(chǎng)商陸續推出相關(guān)產(chǎn)品,碳化硅光伏逆變器應用進(jìn)一步推廣。據 CASA 數據,2020 年光伏逆變器中碳化硅器件滲透率為 10%,預計 2025 年將增長(cháng)至 50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本為光伏逆變器未來(lái)發(fā)展趨勢,SiC 器件有望迎來(lái)廣闊增量空間。
工控:SiC 模塊有望在軌交、智能電網(wǎng)、風(fēng)電等領(lǐng)域實(shí)現全方位滲透
軌道交通方面,碳化硅器件應用于軌道交通牽引變流器能極大發(fā)揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性,提高牽引變流器裝置效率,符合軌道交通大容量、輕量化和節能型牽引變流裝置的應用需求,從而提升系統的整體效能。根據 Digitimes,2014 年日本小田急電鐵新型通勤車(chē)輛配備了三菱電機 3300V、1500A 全碳化硅功率模塊逆變器,開(kāi)關(guān)損耗降低 55%、體積和重量減少 65%、電能損耗降低 20%至 36%。
智能電網(wǎng)方面,相比其他電力電子裝置, 電力系統要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性,碳化硅器件突破了硅基功率 半導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導致的系統局限性,并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優(yōu)勢,在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。此外碳化硅功率器件在風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)電源、航空航天等領(lǐng)域也已實(shí)現成熟應用。
綜上,我們測算 2020 年全球 SiC 功率器件市場(chǎng)規模為 2.92 億美元,受新能源車(chē)、光伏、工控等需求驅動(dòng),預計到 2025 年將增長(cháng)至 38.58 億美元,對應 CAGR 為 67.6%。2025 年新能源車(chē)、新能源發(fā)電、工控占 SiC 功率器件市場(chǎng)規模比重分別為 77.88/13.71/8.41%。
射頻:5G 推動(dòng) GaN-on-SiC 需求提升
5G 發(fā)展推動(dòng)碳化硅基氮化鎵器件需求增長(cháng),市場(chǎng)空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直接決定移動(dòng)終端和基站無(wú)線(xiàn)通訊距離、信號質(zhì)量等關(guān)鍵參數,5G 通訊高頻、高速、高功率特點(diǎn)對其性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具備碳化硅高導熱性能和氮化鎵高頻段下大功率射頻輸出優(yōu)勢,在功率放大器上的應用可滿(mǎn)足 5G 通訊對高頻性能、高功率處理能力要求。當前 5G 新建基站仍使用 LDMOS 功率放大器,但隨5G 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,MIMO 基站建立需使用氮化鎵功率放大器,氮化鎵射頻器件在功率放大器中滲透率將持續提升。
據 Yole 和 Wolfspeed 預測,2024年碳化硅基氮化鎵功率器件市場(chǎng)有望突破 20 億美元,2027 年進(jìn)一步增長(cháng)至 35 億美元。根據我們的預測,受益 5G 通訊快速發(fā)展,通訊頻段向高頻遷移,基站和通信設備需要支持高頻性能的 PA,碳化硅基氮化鎵射頻器件相比硅基 LDMOS 和 GaAs 的優(yōu)勢將逐步凸顯,我們測算 2020年全球碳化硅射頻器件市場(chǎng)規模為 8.92 億美元,預計到 2025 年將增長(cháng)至 21.21 億美元,對應 CAGR 為 18.9%,和 Yole 和 Wolfspeed 預測基本一致。
相比于 Si,SiC 襯底和外延為制造產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節,合計價(jià)值量占比超 60%。在傳統硅基器件制造過(guò)程中,需要在硅片基礎上進(jìn)行氧化、涂層、曝光、光刻、刻蝕、清洗等多個(gè)前道處理步驟,從而產(chǎn)生更高附加值。SiC 材料則僅用于分立器件制造,其前端工藝難度不大,而襯底和外延需在高溫、高壓環(huán)境中生成,生長(cháng)速度緩慢,為關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),占據產(chǎn)業(yè)鏈主要價(jià)值量。據 CASA Research 數據顯示,在傳統硅基器件中,硅片前道處理附加價(jià)值量達到 80%,襯底和外延環(huán)節僅占 11%;而在碳化硅器件的成本構成中,襯底和外延占比分別為 50%和 25%,合計達到 75%,為產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值量最高環(huán)節。此外,襯底和外延質(zhì)量對器件性能優(yōu)劣起至關(guān)重要作用,提升其良率為碳化硅器件制備主要攻克目標。
襯底:碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵環(huán)節,技術(shù)壁壘較高
碳化硅襯底應用逐步成熟,主要分為導電型碳化硅襯底和半絕緣型碳化硅襯底。據工信部發(fā)布《重點(diǎn)新材料首批次應用示范指導目錄(2021 年版)》,碳化硅襯底可分為兩類(lèi),一類(lèi)是具有高電阻率(電阻率≥10 5Ω·cm)的半絕緣型碳化硅襯底,經(jīng) GaN 外延生長(cháng)可制成 射頻器件。半絕緣型碳化硅襯底的制備過(guò)程追求“絕對純凈”,去除晶體中的各種雜質(zhì)對實(shí)現碳化硅晶體本征高電阻率十分重要。另一類(lèi)為低電阻率(電阻率 15~30mΩ·cm)的導電型碳化硅襯底,經(jīng) SiC 外延生長(cháng)可進(jìn)一步制成 SiC 二極管、SiC MOSFET 等功率器件。導電型碳化硅襯底以良好導電性為追求目標,在 PVT 法下,相較半絕緣型襯底其生產(chǎn)難度 更低,但在生產(chǎn)過(guò)程中,電阻率易發(fā)生分布不均情況,仍需更好擴徑及摻雜控制技術(shù)。
碳化硅襯底制備需歷經(jīng)多道加工工序,技術(shù)難度大。碳化硅襯底行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè), 涵蓋材料、熱動(dòng)力學(xué)、半導體物理、化學(xué)、計算機仿真模擬、機械等多學(xué)科交叉知識的應用,其制備過(guò)程與硅基相似,但技術(shù)難度更高,需要長(cháng)時(shí)間積累。具體流程包括原料合成、晶體生長(cháng)、晶碇加工、晶體切割、晶片研磨、晶片拋光、晶片檢測以及晶體清洗。
其中,晶體生長(cháng)為技術(shù)難度最大的環(huán)節,主流制備方式為物理氣相傳輸法。晶體生長(cháng)是碳 化硅襯底制備過(guò)程中核心難點(diǎn),并直接決定碳化硅襯底電學(xué)性質(zhì)。目前主要晶體生長(cháng)方法 有物理氣相傳輸法、高溫化學(xué)氣相積淀、升華外延、液相外延四種,其中物理氣相傳輸法 為主流制備方式。
1)物理氣相傳輸法(PVT),在使用 PVT 法進(jìn)行 SiC 晶圓生長(cháng)時(shí),分別將高純碳化硅微粉和 籽晶置于單晶生長(cháng)爐內圓柱狀密封石墨坩堝下部和頂部,并在坩堝內形成軸內溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、SiC2、Si 等物質(zhì),在溫度梯度驅動(dòng)下輸送到溫度較 低的籽晶處,在籽晶處形核、長(cháng)大,結晶形成碳化硅晶碇。PVT 法生長(cháng)成本較低,當前其面臨主要挑戰在于高純度 SiC 原料獲取,微量關(guān)鍵雜質(zhì)將對生長(cháng)的 SiC 晶體純度造成嚴重影響。
2)高溫化學(xué)氣相積淀(HTCVD),HTCVD 法將高純度的硅烷、乙烷或丙烷、氫氣等氣體從底部導入反應器,先在高溫區生長(cháng)腔進(jìn)行反應,形成碳化硅前驅物,再經(jīng)過(guò)氣體帶動(dòng)進(jìn)入低溫區籽晶端前沉積形成碳化硅晶體。HTCVD 法的主要優(yōu)勢在于在制備過(guò)程中可有效控制 Si 和 C 比例,從而實(shí)現晶體高純度、高質(zhì)量持續生長(cháng)。相較 PVT 法,HTCVD 法使用設備更加昂貴,普及程度較低,但該方法所生長(cháng)晶體缺陷少、質(zhì)量高、雜質(zhì)含量較低,其重要性正日益變大。
3)升華外延,升華外延法是在石墨坩堝等封閉環(huán)境中用固體 SiC 做原材料生長(cháng) SiC 方法,與 PVT 法相近,但其所用溫度更低(1800~2200℃)、壓強更高(達到 1atm),并且原料與晶片更接近甚至緊密接觸。其最大優(yōu)點(diǎn)在于生長(cháng)速率很高,但受限于其固有缺陷即其所生長(cháng)的晶碇長(cháng)度不可能超過(guò)籽晶與原料之間的距離(通常為 2mm)。
4)液相外延(LPE),LPE 法將碳化硅籽晶固定在籽晶桿前端,石墨坩堝里裝填硅原料及 少量摻雜物,在加熱至硅融點(diǎn)(1500-1700℃)以上將其融化后,經(jīng)由籽晶的旋轉或是加上坩堝的反向旋轉,使熔體里的碳以及摻雜元素均勻散布,再借由緩慢降溫使溶液過(guò)飽和后在籽晶前端生長(cháng)出碳化硅晶體。使用 LPE 法生長(cháng)晶體,其徑向生長(cháng)速度相對可控,可實(shí)現無(wú)微管缺陷晶體生長(cháng),但其晶體生長(cháng)成本較高。
與硅相比,碳化硅襯底性能參數指標眾多、工藝難度高,制備效率低。碳化硅襯底包括直徑、微管密度、多型面積、位錯密度、電阻率、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度等多項核心參數,共同影響著(zhù)襯底質(zhì)量高低及最終器件性能的優(yōu)劣。不同于傳統單晶硅使用提拉法制備,碳化硅材料需采用氣相生長(cháng)方法,在密閉高溫腔體內進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長(cháng)、同時(shí)控制各參數指標十分復雜。此外,再將生長(cháng)好的晶體加工成可以滿(mǎn)足半導體器件制造所需晶片又涉及一系列高難度工藝調控,進(jìn)一步制約生產(chǎn)效率。穩定量產(chǎn)各項性能參數指標波動(dòng)較低的高質(zhì)量碳化硅襯底技術(shù)壁壘較高,具體體現在以下幾個(gè)方面:
1)碳化硅粉料純度要求高,制備難。碳化硅粉料純度直接影響生長(cháng)晶體質(zhì)量,需使用高純 碳粉和高純硅粉反應制成,而在合成過(guò)程中環(huán)境雜質(zhì)多,難以獲得高純度粉料。
2)高溫、高壓環(huán)境中進(jìn)行晶體生長(cháng),條件苛刻。碳化硅晶體氣相生長(cháng)環(huán)境要求溫度在 2000℃ -2500℃,壓力為 350Mpa,生長(cháng)條件非??量?,而傳統硅片制備僅需 1600℃左右的溫度要 求。并且高溫環(huán)境對設備和工藝的控制帶來(lái)極高要求,在生產(chǎn)中需要精確調控生長(cháng)溫度和 壓力,稍有失誤將導致生長(cháng)數天產(chǎn)品失敗,直接造成時(shí)間和材料雙重損失。
3)碳化硅晶體結構類(lèi)型眾多,雜質(zhì)控制難度高。碳化硅存在 200 多種晶體結構類(lèi)型,但僅 其中六方結構的 4H 型(4H-SiC)等少數幾種晶體結構碳化硅為所需材料,在晶體生長(cháng)過(guò) 程中,需精確控制硅碳比、生長(cháng)溫度梯度、晶體生長(cháng)速度以及氣流氣壓等參數,否則容易 產(chǎn)生多晶型夾雜,降低產(chǎn)品良率。
4)長(cháng)晶速度緩慢,擴徑技術(shù)難度高。碳化硅晶體生長(cháng)速度非常緩慢,每小時(shí)僅能生長(cháng) 400 微米,而硅晶棒生長(cháng)速度為每小時(shí) 300 毫米,兩者相差近 800 倍。使用當前主流的物理氣 相傳輸法約 7 天才能生長(cháng) 2cm 左右的碳化硅晶體,而生產(chǎn) 1-2m 的 8 英寸硅晶棒僅需 2 天 半左右,6 英寸則只需約 1 天時(shí)間。同時(shí),氣相傳輸法下,碳化硅晶體生長(cháng)的擴徑技術(shù)難度 較大,隨著(zhù)晶體尺寸擴大,其生長(cháng)難度工藝呈幾何級增長(cháng)。
5)碳化硅硬度高,切割技術(shù)難度大。碳化硅莫氏硬度分布在 9.2-9.6,硬度僅次于金剛石材料,且脆性高,屬于典型硬脆材料,切割、研磨、拋光技術(shù)難度大,加工過(guò)程中易導致開(kāi)裂問(wèn)題,而加工完成后襯底易存在翹曲等質(zhì)量問(wèn)題,工藝水平的提高需要長(cháng)期的研發(fā)積累。
導電型和半絕緣型碳化硅襯底制作工藝存在差異,導電型材料整體技術(shù)難度和成本稍低。在采用主流的物理氣相傳輸法(PVT)下,導電型 SiC 通常采用通入雜質(zhì)來(lái)增強導電性, 而半絕緣型 SiC 則主要采用加入深能性摻雜劑(如 V)的方式控制電阻率。半絕緣型 SiC 襯底追求原材料的高純凈度,同時(shí)摻釩工藝較為復雜,對生產(chǎn)設備和技藝等要求更高,總體生產(chǎn)技藝難度和成本都較大,當前國產(chǎn)碳化硅領(lǐng)先企業(yè)如天科合達和天岳先進(jìn)均在半絕緣型 SiC 材料上有較高的研發(fā)投入或存在專(zhuān)利成果。
從產(chǎn)出率看,根據 Wolfspeed 的數據, 導電型襯底單片平均厚度約為 350 微米,而半絕緣型襯底單片平均厚度約為 500 微米,在 使用相同晶棒進(jìn)行長(cháng)晶工藝生產(chǎn)時(shí),導電型SiC襯底產(chǎn)成率約為半絕緣型SiC襯底的142%。因此,在相同生產(chǎn)設備和技術(shù)環(huán)境下,我們預計國內具備生產(chǎn)半絕緣型 SiC 襯底能力的廠(chǎng) 商開(kāi)始生產(chǎn)導電型 SiC 襯底產(chǎn)出率將大幅提升。
海外龍頭早期以導電型產(chǎn)品為主,從整體看導電型和半絕緣型產(chǎn)品同步研發(fā)。在美國 90 年 代的商業(yè)化 SiC 產(chǎn)品中,大部分仍為導電型 SiC 襯底,半絕緣型 SiC 所需的摻釩工藝和技 術(shù)要求導致國際廠(chǎng)商對該類(lèi)型產(chǎn)品的質(zhì)量和性能把握較有延遲,但從整體看目前的海外 SiC 龍頭在兩類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)量產(chǎn)上基本做到了齊頭并進(jìn)。作為該行業(yè)的先驅?zhuān)珻ree 在 1993 年 已成功出品 5 款不同的 2 英寸導電型 SiC,但很快在 1998 年,公司就推出了業(yè)界首款采用 半絕緣型 SiC 加 GaN 外延層的 HEMT 器件。在 2000 年,II-VI 申請了使用釩作為補償性摻 雜劑的生產(chǎn)專(zhuān)利,并于 2002 年同時(shí)實(shí)現了 2 英寸導電型和半絕緣型 SiC 襯底材料的量產(chǎn)。目前,Wolfspeed 和 II-VI 均已實(shí)現兩種類(lèi)型 8 英寸 SiC 襯底的量產(chǎn),在兩種類(lèi)型 SiC 襯底 材料的生產(chǎn)技藝上基本保持了同步研發(fā)。
行業(yè)趨勢#1:襯底尺寸不斷擴大,8 英寸襯底成本優(yōu)勢凸顯
成本優(yōu)勢驅動(dòng)襯底大尺寸化發(fā)展。襯底直徑為衡量晶體制備水平重要指標之一,目前導電型碳化硅襯底以 6 英寸為主,8 英寸襯底開(kāi)始發(fā)展,而半絕緣碳化硅襯底以 4 英寸為主,逐漸向 6 英寸、8 英寸方向發(fā)展。單片襯底制備芯片數量隨襯底尺寸增大而增多,同時(shí)邊緣芯片占比也顯著(zhù)改善。碳化硅晶圓從 6 英寸擴徑到 8 英寸,芯片數量將由 448 增長(cháng)至 845 顆, 邊緣芯片占比也將從 14%減少至 7%,帶來(lái)單位芯片成本大幅降低。Wolfspeed 于 2019 年開(kāi)始建設 8 英寸襯底產(chǎn)線(xiàn),公司預計將于 2024 財年達產(chǎn)。Wolfspeed 表示 2024 財年 MVF 晶圓廠(chǎng)單顆 MOSFET 裸片成本有望降低 63%,其中 28%的降本來(lái)自良率(產(chǎn)量效率)提升,25%來(lái)自規模效應,10%來(lái)自自動(dòng)化帶來(lái)的人工成本和生產(chǎn)周期改善,襯底大尺寸帶來(lái)成本優(yōu)勢顯著(zhù)。
行業(yè)趨勢#2:遠期產(chǎn)業(yè)鏈融合有望成為趨勢
SiC 襯底、外延、器件、設備未來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈垂直化整合趨勢明顯。國內外碳化硅企業(yè)積極完善襯底、外延及器件全產(chǎn)業(yè)鏈布局。(1)國外廠(chǎng)商方面,意法半導體于 2019 年 12 月收購瑞典 Norstel,開(kāi)始布局 SiC 襯底及外延;II-VI 公司在 2020 年收購 Ascatron、INNOViON 以及 GE 的 SiC IP 授權,進(jìn)一步垂直整合 SiC 業(yè)務(wù)。(2)國內廠(chǎng)商方面,三安光電宣布投資 160 億元建設湖南三安半導體項目,將打造國內首條、全球第三條碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈,該產(chǎn)線(xiàn)可月產(chǎn) 3 萬(wàn)片 6 英寸碳化硅晶圓。同時(shí),碳化硅襯底、器件廠(chǎng)商往往與汽車(chē)等設備制造商簽訂長(cháng)期合作協(xié)議,加強產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同。我們認為未來(lái)進(jìn)入行業(yè)整合階段, 頭部廠(chǎng)商將積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈上下游延伸,以提升全產(chǎn)業(yè)鏈競爭力和市占率。
行業(yè)趨勢#3:半絕緣型襯底國產(chǎn)化率已經(jīng)較高,導電型襯底成為國產(chǎn)替代焦點(diǎn)
根據 Yole 的數據,2020 年國內廠(chǎng)商山東天岳在全球半絕緣型 SiC 襯底的市場(chǎng)份額達 30%, 與貳陸(35%)和 Wolfspeed(33%)的份額基本相當,整體市場(chǎng)形成寡頭的局面,已經(jīng)實(shí) 現較大程度的國產(chǎn)替代。但在另一方面,全球導電型襯底市場(chǎng)由國外廠(chǎng)商占絕對主導,2020 年,Wolfspeed 和貳陸公司合計份額超過(guò) 70%(Yole 的數據),國內廠(chǎng)商如天科合達具備一 定的收入規模,但整體份額較小。同時(shí)導電型襯底對應下游新能源車(chē)、光伏等高成長(cháng)性市場(chǎng)。因此我們認為,導電型襯底將是現階段國產(chǎn)替代發(fā)力的焦點(diǎn)區域,存在廣闊替代空間。
國產(chǎn)襯底迭代進(jìn)程加快,質(zhì)量、良率等方面仍存不小差距
國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚,迭代進(jìn)程加快并不斷追趕國際廠(chǎng)商。國內碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚, 國際龍頭企業(yè)如 Wolfspeed 和 II-VI 等于 20 世紀 70-80 年代設立與投入研發(fā),分別于 1995 和 2002 年量產(chǎn) 2 英寸碳化硅襯底。而國內企業(yè)基本設立于 2006 年之后,最早的天科合達 也于 2006 年實(shí)現 2 英寸產(chǎn)品的研發(fā)和少量銷(xiāo)售,落后海外廠(chǎng)商 11 年。近年來(lái),隨著(zhù)國內對碳化硅行業(yè)投資和政策扶持力度的加大,國內企業(yè)研發(fā)投入持續增加,使得從 4 英寸到 6 英寸襯底產(chǎn)品的量產(chǎn)推動(dòng)用時(shí)顯著(zhù)短于海外龍頭企業(yè),6 寸量產(chǎn)時(shí)間差已由 4 寸的 9 年縮短 至 7 年左右。部分企業(yè)如天科合達和天岳先進(jìn)已于 2020 年開(kāi)始研發(fā) 8 英寸碳化硅晶片的生產(chǎn)線(xiàn)。截至 2021 年,國產(chǎn)碳化硅廠(chǎng)商的 4 英寸和 6 英寸產(chǎn)品已基本實(shí)現量產(chǎn)和銷(xiāo)售,國內碳化硅襯底廠(chǎng)商的產(chǎn)品迭代速度正在不斷加快,逐漸縮小與國際廠(chǎng)商的差距。
國產(chǎn)碳化硅襯底質(zhì)量在部分參數上比肩國際龍頭,但在單晶性能一致性、成品率、成本等方面仍存在不小差距。評估碳化硅襯底產(chǎn)品質(zhì)量的核心參數主要有直徑、微管密度、多型 面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度等。通過(guò)比較國產(chǎn)碳化硅 企業(yè)與海外龍頭企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)參數,可以發(fā)現在產(chǎn)品直徑、總厚度變化、電阻率、表面 粗糙度等多項指標上國產(chǎn) 4 英寸和 6 英寸碳化硅襯底與海外廠(chǎng)商產(chǎn)品基本相同。
制備器件 中微管的存在可能導致器件過(guò)高的漏電流甚至器件擊穿,各廠(chǎng)商都在致力于未來(lái)降低微管 密度,部分龍頭碳化硅企業(yè)如 II-VI 可將 4-6寸產(chǎn)品的微管密度穩定控制在 0.1cm-2 以下, 國內廠(chǎng)商的產(chǎn)品微管密度基本在 0.5-5cm-2,存在差距。同時(shí),國內公司在單晶性能一致性、 成品率、成本等單晶質(zhì)量指標方面仍存在較大差距。我們認為,未來(lái)隨著(zhù)大尺寸產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)和中小尺寸碳化硅生產(chǎn)技藝的不斷成熟,預計國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)品種類(lèi)不斷豐富,產(chǎn)品 質(zhì)量將比肩國際龍頭企業(yè)。
國內外廠(chǎng)商大規模擴產(chǎn),但國內有效產(chǎn)能不足致中短期仍將維持供不應求
目前全球碳化硅材料行業(yè)處于加速擴產(chǎn)、跑馬圈地的階段,海內外廠(chǎng)商均加速擴產(chǎn),但我 們認為應避免重復建設的問(wèn)題,造成產(chǎn)能無(wú)序擴張。