4月，美國(guó)芯片制造商Wolfspeed在紐約建立了碳化硅芯片制造工廠。這是全球最大的碳化硅芯片工廠，占地面積6．3萬平方公里，投資額達(dá)10億美元。該廠將是美國(guó)首家生產(chǎn)200毫米碳化硅芯片的工廠。

據(jù)TrendForce，全球碳化硅、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到18．4億美元，2025年會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)到52．9億美元，成長(zhǎng)非常迅猛。在今年18．4億美元的市場(chǎng)中，碳化硅約占16億美元，氮化鎵約占2．5億美元。

跨越46億年，碳化硅的應(yīng)用之路

據(jù)說，碳化硅在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們?cè)?6億年前太陽(yáng)系剛誕生的隕石中，發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以它又被稱為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。

1891年，美國(guó)科學(xué)家艾奇遜就在做電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了一種碳化物，當(dāng)時(shí)誤認(rèn)為是金剛石的混合體，后來發(fā)現(xiàn)這種碳化物就是碳化硅。然而，對(duì)碳化硅的研究卻拖后了百年。因?yàn)樘蓟杈w生長(zhǎng)難度很大，需要在2300℃以上進(jìn)行，生長(zhǎng)速度也比較慢，加上過程難以調(diào)控、生長(zhǎng)多型多、切割難度大等多種問題，對(duì)其研究進(jìn)展一直很緩慢。直到上世紀(jì)九十年代初，以Cree為代表的美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的公司才在技術(shù)上有所突破。

三大優(yōu)勢(shì)助力碳化硅走向巔峰

一直以來，硅是制造半導(dǎo)體芯片最常用的材料，目前90％以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。究其原因，是硅的儲(chǔ)備量大，成本比較低，并且制備比較簡(jiǎn)單。然而，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用卻受阻，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場(chǎng)景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足5G基站、新能源車及高鐵等新興應(yīng)用對(duì)器件高功率及高頻性能的需求。

在這個(gè)背景下，碳化硅走到了聚光燈下。和傳統(tǒng)的硅相比。碳化硅的使用極限性能優(yōu)于硅，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，當(dāng)前碳化硅已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。

碳化硅耐高壓。用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，并大大降低器件的導(dǎo)通損耗。所以在實(shí)際應(yīng)用過程中，與硅基相比可以設(shè)計(jì)成更小的體積，約為硅基器件的1／10。

碳化硅耐高溫。碳化硅的禁帶接近硅的3倍，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過300℃，而碳化硅器件的極限工作溫度可以達(dá)到600℃以上。同時(shí)，碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高，高熱導(dǎo)率有助于碳化硅器件的散熱，在同樣的輸出功率下保持更低的溫度，碳化硅器件也因此對(duì)散熱的設(shè)計(jì)要求更低，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。

碳化硅可以實(shí)現(xiàn)高頻的性能。碳化硅的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍，這決定了碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度。同時(shí)碳化硅襯底材料能量損失更小。

碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小，性能越來越好，所以半導(dǎo)體巨頭都對(duì)它青睞有加。根據(jù)ROHM的數(shù)據(jù)，一款5KW的LLCDC／DC轉(zhuǎn)換器，電源控制板由碳化硅替代硅基器件后，重量從7kg減少到0．9kg，體積從8755cc降低到1350cc。碳化硅器件尺寸僅為同規(guī)格硅器件的1／10，碳化硅MOSFET系統(tǒng)能量損失小于硅基IGBT的1／4，這些優(yōu)勢(shì)也能夠?yàn)榻K端產(chǎn)品帶來顯著的性能提升。根據(jù)CREE的數(shù)據(jù)，相同的電池下搭載了碳化硅MOSFET的電動(dòng)車比使用硅基IGBT的電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程增加了5％～10％。

碳化硅迎來“上車”好時(shí)機(jī)

隨著碳化硅在新能源汽車、充電基礎(chǔ)設(shè)施、5G基站、工業(yè)和能源等應(yīng)用領(lǐng)域展開，需求迎來爆發(fā)增長(zhǎng)。從2022年的應(yīng)用市場(chǎng)看，碳化硅半導(dǎo)體67％將用于汽車，26％將用于工業(yè)，其余用于消費(fèi)和其他領(lǐng)域。其中，新能源汽車是碳化硅器件應(yīng)用增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2022－2026年的市場(chǎng)規(guī)模從16億美元到46億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為30％。

以國(guó)內(nèi)為例，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的規(guī)模以上工業(yè)生產(chǎn)月度數(shù)據(jù)，今年4月，新能源汽車產(chǎn)量為33萬輛，同比增長(zhǎng)42．2％，1－4月累計(jì)產(chǎn)量為168萬輛，同比增長(zhǎng)112．7％。新能源汽車市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)，也讓碳化硅迎來“上車”好時(shí)機(jī)。

目前，碳化硅器件在新能源汽車上的應(yīng)用主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC／DC）、電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)（OBC）及非車載充電樁等方面。正如前文提到的，基于碳化硅的解決方案使汽車電動(dòng)系統(tǒng)效率更高、重量更輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊，盡管碳化硅器件成本較高，但它推進(jìn)了電池成本的下降和續(xù)航里程的提升，降低了單車成本，無疑是新能源汽車最佳選擇。

2018年，特斯拉正式扣響了碳化硅上車的“發(fā)令槍”。特斯拉率先在Model 3電驅(qū)主逆變器上，采用了意法半導(dǎo)體供應(yīng)的650V 碳化硅 MOSFET器件。目前已應(yīng)用至特斯拉全系車型逆變器上。

2020年8月，比亞迪“漢”成為啟用碳化硅功率模塊首款車型。2020年底，比亞迪宣布自研碳化硅芯片，預(yù)計(jì)到2023年旗下電動(dòng)汽車將實(shí)現(xiàn)碳化硅對(duì)硅基IGBT的全面替換。

2020年12月，博世宣布，開始量產(chǎn)車用碳化硅功率半導(dǎo)體，博世成為第一家自主制造生產(chǎn)碳化硅器件的汽車組件公司。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，截止2021年，博世已在德國(guó)Reutlingen晶圓工廠增建1000平方米無塵車間，并預(yù)計(jì)2023年底新建3000平方米無塵車間，用于碳化硅半導(dǎo)體生產(chǎn)。目前，博世是少數(shù)可以自主生產(chǎn)碳化硅芯片的汽車零部件供應(yīng)商。

2021年4月江淮汽車與博世動(dòng)力總成系統(tǒng)中國(guó)區(qū)在上海簽訂了碳化硅逆變器方面的戰(zhàn)略協(xié)議。

2021年8月，吉利汽車宣布采用ROHM碳化硅器件。將利用ROHM的先進(jìn)碳化硅功率解決方案，開發(fā)高效電控系統(tǒng)和車載充電系統(tǒng)，以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，降低電池成本并縮短充電時(shí)間。

前日，蔚來為其下一代電動(dòng)車選用了安森美的最新VE－TracTM Direct 碳化硅功率模塊，兩家公司的合作加快了碳化硅技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

碳化硅襯底賽道

襯底的制造是產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大環(huán)節(jié)，是未來碳化硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的核心。

在全球碳化硅襯底市場(chǎng)，Wolfspeed和II－VI公司的市占率分別為45％和13％，在技術(shù)方面，Wolfspeed和II－VI已經(jīng)成功研發(fā)出8英寸襯底。

Wolfspeed前身為CREE公司，主營(yíng)業(yè)務(wù)包括LED、第三代半導(dǎo)體材料／器件、射頻、照明產(chǎn)品等，隨著功率半導(dǎo)體市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，逐步剝離其他業(yè)務(wù)，專注于碳化硅材料及器件領(lǐng)域，碳化硅襯底尺英寸從4英寸擴(kuò)大到8英寸，2023年計(jì)劃擴(kuò)產(chǎn)至約10萬片6英寸片月產(chǎn)能。2021年，公司襯底全球市占率超過60％，技術(shù)工藝領(lǐng)先，是碳化硅領(lǐng)域的標(biāo)桿企業(yè)。

今年3月，II－VI宣布擴(kuò)產(chǎn)，“Easton工廠將在未來五年內(nèi)將II－VI的碳化硅襯底產(chǎn)量至少增加6倍，它還將成為II－VI的200 毫米碳化硅外延片旗艦制造中心，其中之一世界上最大的，”II－VI執(zhí)行副總裁Sohail Khan表示。

中國(guó)本土企業(yè)碳化硅襯底總體市占率在10％左右，中國(guó)企業(yè)主要集中在4英寸和6英寸，雖然起步較晚，研發(fā)進(jìn)度稍慢，但也都在積極布局，與行業(yè)龍頭差距正在逐漸縮小?！爱a(chǎn)學(xué)研用”為國(guó)內(nèi)碳化硅襯底發(fā)展的重要推進(jìn)動(dòng)力。國(guó)內(nèi)高校和科研單位對(duì)碳化硅單晶的研究始發(fā)于2000年前后，主要包括中科院物理所、山東大學(xué)、上海硅酸鹽所、中電集團(tuán)46所、西安理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等。孕育出天科合達(dá)、天岳先進(jìn)等國(guó)內(nèi)碳化硅襯底領(lǐng)先企業(yè)。

天科合達(dá)的全資子公司新疆天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司的碳化硅襯底項(xiàng)目二期預(yù)計(jì)將于今年6月竣工達(dá)產(chǎn)。預(yù)計(jì)建成后安裝100臺(tái)套單晶生產(chǎn)設(shè)備，可達(dá)到年產(chǎn)單晶襯底1500錠、單晶原料50噸的規(guī)模，年度產(chǎn)值可達(dá)6500余萬元。

天岳先進(jìn)成立于2010年11月，2022年1月12日在上海證券交易所科創(chuàng)板發(fā)行上市，成為國(guó)內(nèi)“碳化硅第一股”。天岳先進(jìn)位于上海臨港的上海天岳碳化硅半導(dǎo)體材料項(xiàng)目已被納入國(guó)家布局，且被上海市政府列為2021年、2022年上海市重大建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要用于生產(chǎn)6英英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底材料，滿足下游電動(dòng)汽車、新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能、開關(guān)電源等碳化硅電力電子器件應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛需求。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)成功封頂，預(yù)計(jì)今年三季度全部達(dá)產(chǎn)后將新增碳化硅襯底產(chǎn)能約30萬片／年，為天岳先進(jìn)營(yíng)收的持續(xù)增長(zhǎng)和未來的長(zhǎng)期發(fā)展增添新的動(dòng)能。

露笑科技也持續(xù)加大研發(fā)投入，增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新能力，2021年度研發(fā)費(fèi)用為8088．92萬元，同比增長(zhǎng)85．17％。截至2021年12月，公司已完成襯底片加工車間建設(shè)并投入使用，現(xiàn)已具備年產(chǎn)10萬片的產(chǎn)能規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了6英寸襯底片的銷售，正處于產(chǎn)能爬坡上升期。2021年11月23日，公司披露定增預(yù)案，擬募集資金不超過29．4億元，用于第三代功率半導(dǎo)體（碳化硅）產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目、大尺英寸碳化硅襯底片研發(fā)中心項(xiàng)目等。項(xiàng)目完成后，將在安徽省合肥市長(zhǎng)豐縣形成年產(chǎn)24萬片6英英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底片的生產(chǎn)能力。

碳化硅對(duì)產(chǎn)業(yè)有著全方位的帶動(dòng)，對(duì)所有重視半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國(guó)家意義非凡。在新能源車等新增下游需求的帶動(dòng)下，碳化硅材料及相關(guān)器件需求有望迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。