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揭秘第三代芯片材料碳化硅!国产替代黄金赛道

来源:智东西 发布时间: 2021-07-13 16:31:01 编辑:夕歌

导读:碳化硅器件具备广阔的应用领域和市场空间, 2019 年全球碳化硅功率器件市场规模为 5 41 亿美元,预计 2025 年将增长至 25 62 亿美元,年化复合增速约 30%。

硅是目前制造芯片和半导体器件最广泛的原材料, 90%以上的半导体产品是以硅为原材料制成的。然而受材料本身特性的限制,硅基功率器件已经渐渐难以满足 5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。

碳化硅是第三代半导体材料,作为宽禁带半导体材料的一种,与硅的主要差别在禁带宽度上,这让同性能的碳化硅器件尺寸缩小到硅基的十分之一,能量损失减少了四分之三,成为制备高压及高频器件新的衬底材料。 碳化硅器件具备广阔的应用领域和市场空间, 2019 年全球碳化硅功率器件市场规模为 5.41 亿美元,预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元,年化复合增速约 30%。

本期的智能内参,我们推荐东兴证券的报告《碳化硅产业:已处于爆发前夜,有望引领中国半导体进入黄金时代》,解析碳化硅材料的性质特点、应用范围和市场格局。

本期内参来源:东兴证券

原标题:

《碳化硅产业:已处于爆发前夜,有望引领中国半导体进入黄金时代》

作者: 吴昊 陈宇哲 吴天元

一、碳化硅,第三代半导体材料

第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料,和传统硅材料主要的区别在禁带宽度上。禁带宽度是判断一种半导体材料击穿电压高低的重要指标,禁带宽度数值越大,则该种材料制成器件的耐高压能力越强。以碳化硅为代表的第三代半导体材料往往具备更宽的禁带宽度,因此也被称为宽禁带半导体材料(大于 2.3eV)。

由于氮化镓在材料制备环节仍有技术难度,当前具备大规模量产条件的可用于制备功率器件的第三代半导体材料仅有碳化硅。根据天科合达招股书数据,4H 型碳化硅的禁带宽度为 3.2eV,是硅材料禁带宽度 1.1eV 的约 3倍,这使得其击穿电场强度达到了硅的约 7 倍,非常适合用来制备功率器件。

常见半导体衬底材料性能对比

除了更耐高压,碳化硅基功率器件在开关频率、散热能力和损耗等指标上也远好于硅基器件。除了禁带宽度更宽,碳化硅材料还具有更高的饱和电子迁移速度、更高的热导率和更低的导通阻抗,碳化硅器件相比于硅基器件的优势体现在:

1、 阻抗更低,可以缩小产品体积,提高转换效率;

2、 频率更高,碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的 10 倍,而且效率不随着频率的升高而降低,可以降低能量损耗;

3、 能在更高的温度下运行,同时冷却系统可以做的更简单。碳化硅功率器件工作温度可达 600℃以上,是同等硅器件的 4 倍,可以承受更加极端的工作环境。

碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小,能量密度越来越大,这也是为什么几乎全球的半导体巨头都在不断研发碳化硅器件的原因。根据 ROHM 的数据,一款 5kW 的 LLC DC/DC 转换器,其电源控制板由碳化硅替代硅基器件后,重量从 7kg 减少到 0.9kg,体积从 8755cc 降低到 1350cc。

碳化硅器件尺寸仅为同规格硅器件的 1/10,碳化硅 MOSFET 系统能量损失小于硅基 IGBT 的 1/4,这些优势也能够为终端产品带来显著的性能提升。根据 CREE 的数据,相同的电池下搭载了碳化硅 MOSFET 的电动车比使用硅基 IGBT 的电动车续航里程增加了 5%~10%。

同规格碳化硅器件性能优于硅器件

碳化硅衬底依电阻率不同分为导电型和半绝缘型两类,分别外延沉积碳化硅和氮化镓后,用于功率器件和射频器件的制作。

1、 导电型衬底:具有低电阻率(15~30mΩ·cm)的碳化硅衬底。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层,制得碳化硅同质外延片,可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT 等功率器件。

2、 半绝缘型衬底:具有高电阻率(≥105Ω·cm)的碳化硅衬底。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层,制得碳化硅基氮化镓外延片,可进一步制成微波射频器件。

碳化硅器件产业链

优异的性能使得碳化硅材料应用领域广阔,目前主流的器件种类为功率器件(碳化硅基碳化硅)和射频器件(碳化硅基氮化镓),可以说需要高压和高频器件的应用场景,都是碳化硅潜在替代的市场。尤其是对电力转换需求频繁、使用条件苛刻及对模块体积和重量等有要求的场景,碳化硅器件优势明显:

1、 功率器件(电力电子领域)

应用一:电动车逆变器及充电桩。电动车逆变器是碳化硅功率器件最为主要的市场,在相同功率下,碳化硅模块封装尺寸更小,损耗更低。在动力电池性能提升已经有限的情况下,碳化硅功率器件将成为提升电动车延长行驶里程、缩短充电时间及增大电池容量的重要手段。

国内外知名车企也在积极推动碳化硅器件的应用。特斯拉是全球第一家将碳化硅 MOSFET 应用于商用车主逆变器的厂商,Model 3 的主逆变器采用了意法半导体生产的 24 个碳化硅MOSFET 功率模块。随后国内厂商比亚迪也迅速跟进,在汉 EV 上搭载了自主研发的碳化硅功率模块。未来随着碳化硅材料成本的不断下降,未来将有更多车型使用碳化硅器件。碳化硅器件也可应用于新能源汽车 充电桩,可以减小充电桩体积,提高充电速度。

应用二:光伏逆变器。光伏发电系统中,硅基逆变器成本占系统的 10%,但却是系统能量损耗的主要来源。使用碳化硅 MOSFET 功率模块的光伏逆变器,转换效率可从 96%提升至 99%以上,能量损耗降低 50%以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。

应用三:轨道交通。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备,碳化硅器件的应用可以提高牵引变流器装置效率,提升系统整体效能。2014 年,日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A 全碳化硅功率模块逆变器,开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65%,电能损耗降低 20%至 36%。

光伏逆变器中碳化硅渗透率有望在 2025 年达到 50%

轨道交通中碳化硅渗透率将在 2050 年达到 90%

碳化硅使功率器件突破了传统硅基器件性能的上限,未来具备广阔的市场空间。根据 Yole 报告,2019年全球碳化硅功率器件市场规模为 5.41 亿美元,预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元,年化复合增速约30%。

2019-2025 年碳化硅功率器件市场规模将快速增长(单位:美元)

2、射频器件(军工及通讯领域)

射频器件是无线通信的核心部件,包括射频开关、LNA、功率放大器和滤波器等。其中功率放大器是对信号进行放大的器件,直接影响着基站信号传输距离及信号质量。硅基 LDMOS 器件已经应用多年,但主要应用于 4GHz 以下的低频领域。

5G 通讯高频、高速和高功率的特点对功率放大器性能也提出了更高的要求,碳化硅基氮化镓具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势,成为 5G 移动通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心射频器件,有望替代硅基 LDMOS。 根据 Yole 的预测,2025 年功率在 3W 以上的射频器件中,砷化镓器件市场份额保持不变,碳化硅基氮化镓将替代大部分硅基LDMOS,占市场 50%左右的份额。

不同材料射频器件应用范围对比

不同类型射频器件市场份额预测(功率 3W 以上)

根据 Yole 的报告,预计全球氮化镓射频器件市场规模将持续增长,预计从 2019 年的 7.4 亿美元增长至2025 年的 20 亿美元,年化复合增速达 18%。半绝缘型碳化硅衬底需求有望受益。

2019-2025 年氮化镓射频器件市场规模将持续增长(单位:美元)

二、技术难度高,海外龙头统治市场

碳化硅与硅基器件的原理相似,但碳化硅无论是材料还是器件的制造难度,都显著高于传统硅基。其中大部分的难度都是碳化硅材料高熔点和高硬度所需特殊工艺带来的。碳化硅器件的生产环节主要包括衬底制备、外延和器件制造封测三大步骤。各步骤中难度和价值量最高的是衬底制备环节,而衬底制备环节中晶体生长是最困难的步骤。

碳化硅衬底的主要制备工序为,将高纯的碳化硅粉在特殊温度下,采用物理气相传输法(PVT)生长不同尺寸的碳化硅晶锭,再经过切割、研磨等多道工序产出碳化硅衬底。

碳化硅衬底制备流程

碳化硅晶体生长难度高,工艺是核心。碳化硅性能有明显优势,却始终未能转换成市场规模,最主要的原因是碳化硅衬底制造困难。

与传统的单晶硅使用提拉法制备不同,碳化硅材料因为一般条件下无法液相生长,只能使用气相生长的方法,如物理气相传输法(PVT)。这也就带来了碳化硅晶体制备的两个难点:

1、 生长条件苛刻,需要在高温下进行。一般而言,碳化硅气相生长温度在 2300℃以上,压力 350MPa,而硅仅需 1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求,生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误,则会导致生长数天的产品失败。

2、 生长速度慢。PVT 法生长碳化硅的速度缓慢,7 天才能生长 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒。

同时碳化硅材料本身的特性也让晶体生长难度较高,带来了另外两个难点:

3、 材料晶型多样。碳化硅有超过 200 种相似的晶型,需要精确的材料配比、热场控制和经验积累,才能在高温下制备出无缺陷、皆为 4H 晶型的可用碳化硅衬底(其他晶型不可用)。

4、 材料硬度大,后加工困难。碳化硅是硬度仅次于金刚石的材料,晶棒后续的切片、研磨、抛光等工艺的加工难度也显著增加。

在上述技术难点的影响下,能够稳定量产大尺寸碳化硅衬底的企业较少,这也使得碳化硅器件成本较高。

衬底制备各环节流程及难点

碳化硅器件制造必须要经过外延步骤,外延质量对器件性能影响很大。碳化硅基器件与传统的硅器件不同,碳化硅衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求,因此在制造大功率和高压高频器件时,不能直接在碳化硅衬底上制作器件,而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件。因此外延的质量对器件性能的影响非常大。

外延的质量又受到衬底质量的影响。在外延过程中产生的缺陷,很多都是从衬底中直接复制来的,因此衬底的质量和加工水平对于外延的缺陷控制也十分关键。

碳化硅材料外延主要是要控制外延的厚度和掺杂浓度两个参数。器件依据不同的设计,所需的外延参数也不同。一般而言,外延的厚度越大,器件能够承受的电压也就越高。但外延层厚度越大,高质量外延片的制备就越困难,尤其是在高压领域,对缺陷的控制是非常大的挑战。

外延层厚度越大,额定电压越高

碳化硅功率器件制造原理与传统硅基相似,但因为材料性质的改变,所需设备和技术难度有增加。碳化硅产业链大部分难点在衬底生长环节,不过在器件制造过程中的难度也有所增加,主要体现在部分工艺需要在高温下完成:

1、 掺杂步骤中,传统硅基材料可以用扩散的方式完成掺杂,但由于碳化硅扩散温度远高于硅,无法使用扩散工艺,只能采用高温离子注入的方式;

2、 高温离子注入后,材料原本的晶格结构被破坏,需要用高温退火工艺进行修复。碳化硅退火温度高达 1600℃,这对设备和工艺控制都带来了极大的挑战。

3、碳化硅器件工作温度可达 600℃以上,组成模块的其他材料,如绝缘材料、焊料、电极材料、外壳等也无法与硅基器件通用;

4、器件的引出电极材料也需要同时保证耐高温和低接触电阻,大部分材料难以同时满足两条要求。

功率器件的稳定性和工艺成熟度十分重要,上述以“高温”为核心的难点构筑了较强的技术壁垒。上述工艺不成熟会导致碳化硅功率器件存在缺陷,从而影响其长期工作的可靠性。因此目前全球绝大部分器件制造产能仍掌握在具备衬底技术的巨头(科锐公司、罗姆公司)及具备较多功率半导体制造经验的 IDM 厂商(英飞凌、意法半导体等)手中。

碳化硅器件的产业链主要由上游衬底材料及外延、中游器件制造和下游应用,以及各环节所用设备构成。目前产业的参与者主要以两类海外厂商为主:

传统功率半导体龙头:英飞凌(欧洲)、意法半导体(欧洲)、三菱电机(日本)、安森美(美国)、瑞萨电子(日本)、罗姆(日本)等。这些公司凭借着在硅基功率器件制造中积累的经验,提前布局碳化硅器件的制造。目前这些厂商是碳化硅功率器件制造的主力。

具备光电子和光通信材料技术的公司:CREE(科锐,美国)、道康宁(美国)、II-VI(贰陆公司,美国)、昭和电工(日本)等。化合物半导体材料在光电子和光通信领域有着广泛的应用,这些公司依靠着在材料领域积累的优势,从材料端切入了碳化硅产业链,并基本实现从衬底到外延的连续布局。

其中,科锐和罗姆两家厂商已经具备了从材料端到器件生产端的全流程覆盖,具备产业链中最强的实力。其他厂商大多专注于其中的 1~2 个环节。

近年来,国内厂商追赶进度明显,产业链布局完善,各个环节也都出现了大量的国内参与者:

衬底环节:天科合达、山东天岳和同光晶体等,已经实现 4 英寸衬底商业化,逐步向 6 英寸发展;

外延环节:瀚天天成、东莞天域等;

器件环节:泰科天润、华润微、基本半导体等。

其中三安集成、世纪金光等也成功实现了产业链贯通,进行了全流程布局。

碳化硅器件产业链各环节主要参与者

三、碳化硅:中国半导体的新机遇
从碳化硅本身来看,其对传统硅基功率器件的替代是顺应时代和科技趋势的必然。下游需求的热点已经逐步从智能手机和 4G 为代表的移动互联网时代,转向智能汽车和 5G 为代表的的物联网时代,在新的时代背景下,功率器件大放异彩的机会已经来临。

碳化硅器件的爆发离不开下游需求的持续扩张,终端厂商正积极导入。碳化硅材料和器件的优异性能市场早有认识,但是近几年才逐步形成产业规模,除了因为技术的成熟外,下游应用端对更高性能器件有着迫切的需求,也促使各下游积极验证和导入碳化硅产品。

产业链各环节产能增长,但供给仍然不足。据 CASA 数据显示,SiC 电力电子方面,SiC 导电型衬底折算 4英寸产能约为 40 万片/年,SiC-on-SiC 外延片(表示在碳化硅衬底上沉积碳化硅)折算 6 英寸产能约为 22万片/年,SiC-on-SiC 器件/模块(4/6 英寸兼容)产能约 26 万片/年。

微波射频方面,SiC 半绝缘衬底折算4 英寸产能约为 18 万片/年。2020 年,新能源汽车、快充、5G 等下游应用市场增长超预期,国内现有产品商业化供给无法满足市场需求,SiC 电力电子和射频存在较大缺口。

供需错配下,供给端已成为碳化硅重要的制约因素,技术优势带来的稳定产能将是重要的竞争力。在旺盛的需求下,具备量产能力的厂商大都会受到市场的青睐和认可,尚无须忧虑产业出现充分的竞争,因此企业加强自身的研发和技术攻关,制造出高性能、高良率和可靠性的产品是当前的第一要义,更大的产能储备将是最为重要的竞争力。

2020 年我国第三代半导体产能统计

碳化硅器件具备足够多的优势,但价格相较于传统硅基器件仍然偏高。从衬底角度来看,受碳化硅生长速度较慢的影响,一片6寸的碳化硅晶圆价格在 1000 美元以上,是同尺寸硅晶圆价格的 20 倍以上。因此衬底占据了碳化硅器件近一半的成本。因此碳化硅价格下降的幅度也会显著影响碳化硅器件替代的速度。

衬底占碳化硅器件成本的近一半

但是,碳化硅器件与传统产品价差正在持续缩小。第三代半导体产业技术创新战略联盟表示,2020 年受疫情影响产品交期有所延长,但碳化硅器件的价格有所下降:

SiC SBD 实际成交价与硅器件价差已经缩小至 2~2.5 倍之间。根据 Mouser 的公开报价,650V 的 SiCSBD 2020 年底的平均价格是 1.58 元/A,较 2019 年底下降了 13.2%。1200V 的 SiC SBD 的平均价是3.83 元/A,较 2019 年下降了 8.6%。据 CASA 调研,实际成交价低于公开报价,基本约为公开报价的60%-70%,较上年下降了 20%-30%,实际成交价与 Si 器件价差已经缩小至 2-2.5 倍之间。

SiC MOSFET 降价明显,与硅器件价差收窄到 2.5~3 倍之间。根据 Mouser 的公开报价,650V、900V、1200V、1700V 的 SiC MOSFET 在 2020 年底的平均价格分别同比下降了 13%、2%、27.62%、33.4%。而从实际成交价格来看,650V、1200V 的 SiC MOSFET 价格较 2019 年下降幅度达 30%-40%,与Si 器件价差也缩小至 2.5~3 倍之间。

价格下降幅度会显著提高碳化硅器件的替代速度,从而反向刺激需求,形成正向循环。目前碳化硅器件价格已经下降到高端新能源车型可以接受的程度,随着晶圆尺寸做大和良率不断提升,未来仍有降本空间,碳化硅功率器件有望逐步向中低端车型渗透。

国内半导体厂商在积极发挥自身优势,大力布局第三代半导体行业。第三代半导体对我国而言意义非凡,是中国大陆半导体(尤其是功率和射频器件)追赶的极佳突破口。碳化硅器件的意义不仅在于其本身的优异性能,其更是会对产业带来全方位的带动,碳化硅有望引领中国半导体进入黄金时代:

1、 在第三代半导体追赶的路上,中国企业受到的阻碍将小于传统硅基领域。在传统的硅基半导体领域,技术进步已经明显放缓,发达国家依靠着数十年的研发和布局,积累了足够多的专利,并掌控着上游关键材料和设备的技术和供应链,占据着对中国半导体进行制裁、发动科技战的主动权。在产业配套全面落后的情况下,中国在硅基半导体领域的替代进程缓慢。

而在第三代半导体产业中,中国企业与海外龙头的差距已经明显缩小,发达国家可以用来制裁和控制中国第三代半导体发展的手段和技术也十分有限,中国企业正迎来追赶和发展的良机。

2、 产业链的配套整合更加充分,为中国半导体企业带来以往不具备的发展机会。以往国内半导体厂商追赶困难另一个原因是没有足够多的试用和上线机会,难以用客户的反馈和问题来正向激励研发。目前来看第三代半导体器件主要的应用领域如新能源车、光伏和高铁等,未来的主战场都集中在中国,国内企业也与国内车企和家电企业等进行了配套和产业合作,国产器件逐渐导入终端产品供应链,为国内企业带来更多试用、改进的机会。

智东西认为,目前,虽然在以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料研究和部署方面,美、日、欧仍处于世界领先地位。由于其未来战略意义,我国早已对宽禁带半导体材料器件研发进行针对性规划和布局,但是近些年的发展似乎差强人意,究其根本,主要原因是高制造成本和低技术成熟度。现在,随着国内企业的技术不断发展和成本的不断下降,中国的第三代半导体材料有望最先实现国产替代。


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