国内碳化硅行业加速进攻

资料来源:原公开数字半导体产业观察(身份证:icbank)，作者:杜勤，谢谢！

最近，关于碳化硅的消息一个接一个地出现，这是碳化硅的一小块，其背后是一个数千亿的大产业。每生产一辆电动车，至少要消耗一块碳化硅。碳化硅材料本身的优势吸引了包括特斯拉、保时捷和比亚迪在内的全球汽车工厂积极拥抱碳化硅。此外，它也是一种5G新材料。自去年以来，华为也开始布局碳化硅。国内碳化硅企业已经开始加速前进。上市公司天通股份有限公司、卢晓科技、杨洁科技和三安光电都涉足碳化硅项目。

根据Yole的统计，SiC设备业务从2018年的4 . 2亿美元增长到2019年的5 . 64亿美元。最大的增长驱动力是电池、电动汽车，电力供应和太阳能也是强劲的市场。五年复合年增长率接近30%，2020年仍将增长。但真正的增长，尤其是汽车市场的增长，将会推迟。不是在2020年半导体中

碳化硅的好处随着电子设备和逻辑板市场的进一步增长，传统硅的缺点日益突出。因此，设计师和制造商一直在寻找更好、更智能的方法来制造这些重要的组件。碳化硅就是这样一种存在，因为碳化硅材料具有很大的禁带宽度和优异的导热性，与传统的硅技术相比，碳化硅技术可以同时实现高频和高压这两个重要特性。此外，相同规格的碳化硅芯片只有硅片的十分之一大。此外，在基于碳化硅技术的系统应用中，由于较少的散热需求和较小的无源元件，整个装置的体积大大减小。因此碳化硅功率半导体在普通硅半导体中脱颖而出，在电子功率、光电子、微波通信等领域有着广阔的应用前景

电力行业是SiC功率半导体的重要市场之一，特别是因为它在高功率应用中仍然具有低功耗。以碳化硅为代表的第三代半导体具有禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移率、化学性质稳定、高硬度、高耐磨性、高结合能、抗辐射等优点。它可广泛用于制造高温、高频、高功率、抗辐射、高功率、高密度的集成电子器件。由碳化硅制成的

元件包括二极管、各种类型的晶体管(如金属氧化物半导体场效应晶体管、JFET和IGBT)和栅控晶闸管。通过使用这样的基本构件，可以产生更小、更轻和高效的电源模块，用于将电源切换到负载或从负载切换电源，以及用于切换电源。用碳化硅衬底研制的电力电子器件可用于输变电、风力发电、太阳能、混合动力汽车等电力电子领域，降低功率损耗，减少发热，高温工作，提高效率，增加可靠性。在

的早期使用案例中，特斯拉已经将意法半导体的基于碳化硅场效应晶体管的功率模块集成到3型逆变器中。型号3有一个主逆变器，需要24个功率模块，每个模块基于两个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，每辆车共有48个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管芯片这些场效应晶体管是由意大利卡塔尼亚的意法半导体晶圆厂制造的

早在2014年5月，丰田就宣布将混合动力汽车的燃油效率提高10%(在日本地方交通省的JC08测试周期内)，并通过使用碳化硅功率半导体减少车辆的使用。与目前仅含硅功率半导体的PCU相比，功率控制单元(PCU)的尺寸减小了80%然而，由于碳化硅晶片(衬底)的短缺，丰田还没有采用它们。

是光电领域氮化镓外延材料的理想衬底。碳化硅材料具有与氮化镓晶格失配小、热导率高、器件尺寸小、抗静电能力强、可靠性高等优点。由于其良好的导热性，解决了功率氮化镓发光二极管器件的散热问题，特别适用于制备半导体照明用的大功率发光二极管，从而大大提高了出光效率，有效降低了能耗。

在微波通信领域，碳化硅作为一种宽带隙半导体材料，也具有很宽的工作频带(0 ~ 400千兆赫)。碳化硅除了具有优异的高温特性、高击穿电场、高热导率和电子饱和率外，还在微波通信领域占有一席之地。实现了通信设备的高性能、高移动性、高带宽和小型化，特别是对于X波段以上的收发组件。5G通信基站的应用引起了广泛关注。

业内人士指出，电动汽车行业是SiC应用前景最广阔的行业，SiC技术带来的电池效率的显著提高和电动驱动装置重量和体积的降低正是电动汽车技术最需要的。目前，工业电力行业是碳化硅普及率和应用率较高的行业。碳化硅产品的使用可以显著提高工业领域的功率利用效率。那么碳化硅半导体是不利的吗？目前，成本是在更广泛的电气和电力产品中引入碳化硅技术的几个明显缺点之一。碳化硅半导体的价格可能是普通IGBT硅的五倍。然而，回顾过去十年，我们可以清楚地看到碳化硅市场一直在快速增长，这也得益于碳化硅材料终端技术的发展和材料成本的不断降低。因此，各大公司都在大力拥抱碳化硅半导体，国内企业和投资者也在大力推动碳化硅产业的发展。

国内碳化硅产业频繁波动

，在国家“大基金”的带动下，过去一年，全国半导体总投资已超过700亿元，其中65亿元与碳化硅材料有关三安光电、中科钢铁研究、天通有限公司、比亚迪等企业已开始布局碳化硅基板项目。据业内人士介绍，近年来，国内碳化硅市场的增长速度非常快。在节能减排政策的背景下，越来越多的国内客户开始使用碳化硅器件来替代传统的硅器件方案，国内供电领域的标杆企业也在大规模使用碳化硅器件。

正因为如此，中国的碳化硅产业在不断扩张与硅技术相比，碳化硅技术在中国的发展更加喜人。毕竟，碳化硅技术在国内外的起点都比较近。可以看出，无论是前端基板和外延，还是后端器件和模块，中国涌现出一批优秀企业，甚至在全球市场占有一席之地，整个产业链已经接近实现国货替代。

在基板领域，我国有山东田玉娥、田可和达、河北同光、世纪金光、中电集团2等。外延片包括东莞天宇、汉天成和世纪金光。在碳化硅功率器件的研发和制造方面，中国的IDM企业包括杨洁电子、基础半导体、苏州能达高能半导体、株洲中车时代、中电55、中电13、泰科天润和世纪金光。无晶圆厂包括上海展新、瑞能半导体和萨南光电铸造厂。在模块方面，有嘉兴斯达、河南森源、常州武进柯华和中汽时代电气自

进入2020年以来，企业和投资者一直在围绕碳化硅不断行动3月12日，合肥市人民政府宣布世纪金光6英寸碳化硅项目落户合肥，大基金持股10.55%合肥投资管理公司的声音基金作为主要投资者参与了世纪金光C轮融资。世纪金光成立于2010年，致力于研究、开发和生产第三代宽带隙半导体功能材料和功率器件。近年来，世纪金光创新性地解决了高纯碳化硅粉体的提纯技术、6英寸碳化硅单晶制备技术、碳化硅SBD、MOSFET材料、结构和工艺设计技术等。完成了从碳化硅材料生产、功率元件和模块制备到工业应用开发和解决方案提供等关键领域的总体布局，是中国第一家拥有碳化硅全产业链技术的半导体公司。

今年2月，中国最大的碳化硅工业基地在山西省正式投产。中国电力(山西)碳化硅材料产业基地一期工程有300套设备山西朔克晶体有限公司总经理李斌说:“这个碳化硅工业基地一期工程的300套设备每月可以生产1200颗碳化硅单晶。每件估计价值约为10万元，1200件超过10亿元。”千亩工业园区将串联山西转型综合改革示范区上下游十几个产业，带动山西半导体产业集群快速发展，实现中国碳化硅完全自主供应。同样在2月份，比亚迪宣布其中型和大型汽车韩电动车是第一款使用自主研发的“高性能碳化硅场效应晶体管电机控制模块”在3.9秒内加速0-100公里/小时的汽车！这一成绩打破了前4.3秒由全新唐DM创造的纪录，使韩成为比亚迪量产车家族的新加速冠军。其电机控制器首次采用了比亚迪自主开发制造的高性能碳化硅场效应晶体管控制模块。碳化硅模块可以降低内阻，增加电控系统的过流能力，使电机功率和转矩最大化，大大提高电机的性能

此外，2019年11月26日，卢晓科技与中科钢铁研究有限公司和郭虹中宇在京签署了《中科钢铁研究节能技术有限公司与郭虹中宇科技发展有限公司和卢晓科技有限公司关于碳化硅项目的战略合作协议》三方正在共同努力，共同开发4英寸、6英寸、8英寸甚至更大尺寸的碳化硅晶体生长设备，以满足中国国家科技集团公司的技术要求。目前，首批2台升华碳化硅晶体生长炉已经完成设备性能的验收和交付。优化后的碳化硅晶体生长炉设备将应用于中国科技集团公司领导的碳化硅产业化项目。

2年8月，019年，华为哈勃科技投资有限公司以10%的股份投资中国领先的第三代半导体材料公司山东田玉娥。山东田玉娥公司成立于2011年12月。公司自主开发了一种新型高纯度半绝缘基材。目前，大规模生产的产品主要是4英寸。此外，其4H导电碳化硅衬底材料产品主要有2英寸、3英寸、4英寸和6英寸山东田玉娥还自主开发了6英寸氮型碳化硅衬底材料公司已经实现了宽带隙半导体碳化硅材料的产业化，在技术上达到国际领先水平。

此外，用于电动汽车逆变器的基本半导体和用于标准特斯拉3型的器件的标准级全碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管模块已经完成了工程样品的开发，并将由联合国的主要制造商进行测试。

直面国内外碳化硅产业的优势与劣势

虽然我国已经在整个产业链中布局，但我们不得不面对目前全球碳化硅市场基本上被外国企业垄断的事实。其中，美国、欧洲和日本是最大的。美国的Cree占据领先地位，占世界碳化硅产量的70%-80%。欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件和应用产业链，代表英飞凌、意法半导体等。日本也是设备和模块开发领域的绝对领导者，代表着罗马半导体和三菱电机等公司

为什么他们能占据大部分市场？主要原因是这些企业大多采用了IDM模式。例如，柯睿、罗马和其他公司都在自己的工厂生产设备，并以自己的品牌销售。它们基本覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件设计和制造的整个产业链，可以更好地加强成本控制和工艺控制的改进。总的来说，IDM模型适用于碳化硅

尽管IDMs将继续占据主导地位，但如果没有工厂和代工供应商，仍有发展空间。事实上，一些没有晶圆厂的公司已经开始使用铸造来生产产品。KLA的Raghunathan曾经说过:“无晶圆厂模式允许初创企业和较小的公司测试他们的产品，而无需在过程组件上进行大量投资。”相反，传统工厂保留了战略供应商作为主要客户选择的优势。这两种模式都在发挥各自的优势，服务于当前工业景观的多样化需求，寻求一种共存的方式。“

与国外大工厂相比，碳化硅在中国起步较晚，目前与美国、欧洲和日本的这些公司在一些环节上还存在一定差距但是，从整个产业链的角度来看，与世界一流的技术相比，我们处于大约五年前的水平，而且这个时间差正在逐渐缩小，一些技术环节甚至是齐头并进的。

具体来说，在碳化硅衬底方面，国外主流产品已经完成了从4英寸到6英寸的转换，并成功开发出8英寸碳化硅衬底片；然而，目前国内碳化硅衬底市场以4英寸为主，6英寸仍处于研发过程中。成品率相对较低。碳化硅器件成本高的主要原因之一是衬底成本高，目前衬底成本约为加工晶片成本的50%。碳化硅衬底不仅价格昂贵，而且生产工艺复杂。与硅相比，碳化硅难以加工、研磨和锯切，这带来了巨大的挑战。因此，他们中的大多数从克里、罗马或第三方供应商那里购买基材。

在我国外延薄膜领域取得了可喜的成绩六英寸碳化硅外延产品可在当地供应，一批特殊的碳化硅晶圆厂可在建或在建。例如，人造丝的碳化硅二极管产品和产业链上游的碳化硅外延产品长期以来一直与国外市场和世界顶级制造商直接竞争。

在碳化硅功率器件方面，目前国内碳化硅功率器件制造商使用的衬底大部分是进口的国外，600-1700伏碳化硅SBD和场效应管已经产业化，主要产品集中在1200伏以下600-3300伏碳化硅SBD在中国的研究和开发已经取得初步成果，目前正在向产业化方向实施。同时，1200伏/50A碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的研发也已成功完成。中国汽车时代、百年金光、全球能源互联网研究所、第55电力公司的6英寸碳化硅功率器件生产线已经启动。结论

作为世界上最大的半导体应用国家，中国已经认识到发展第三代宽带隙半导体产业的重要性。行业专家推测，中国第三代半导体产业将在未来五年迎来“高潮”。希望更多的企业投资碳化硅产业链的各个方面。同时，也希望业内企业能安下心来发展碳化硅技术。成熟的技术和可靠的产品是工业发展的重要基石。