何为SiC?

文/每日财报 刘雨辰

 

中国将第三代半导体产业写入“十四五”规划之中,计划在2021到2025年的五年之内,举全国之力,在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面对第三代半导体发展提供广泛支持,以期实现产业独立自主,不再受制于人。

 

第一代半导体主要有硅和锗,广泛应用于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是难以满足高功率及高频器件需求。

 

砷化镓是第二代半导体材料的代表,是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料,但砷化镓材料的禁带宽度较小、击穿电场低且具有毒性,无法在高温、高频、高功率器件领域推广。

 

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表,与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度,保证了其可击穿更高的电场强度,适合制备耐高压、高频的功率器件。

前景无限的碳化硅

碳化硅制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点,具有开关速度快、效率高的优势,可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积,下游应用广泛。目前碳化硅半导体主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域,在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。

 

根据IC Insights《2019年光电子、传感器、分立器件市场分析与预测报告》,2018年全球功率器件的销售额增长率为14%,达到163亿美元。目前,功率器件主要由硅基材料制成,但是硅基器件由于自身的物理特性限制,其性能、能耗已达到极限,难以满足新兴电能应用需求。碳化硅功率器件凭借耐高压、耐高温等特点,可更加有效地应用于新能源汽车等战略领域。

 

举一个例子,目前IGBT已经达到硅基材料的物理极限,难以满足新能源汽车未来提高续航能力、减轻汽车重量、缩短充电时间等要求,而碳化硅器件在未来存在明显优势。

 

根据英飞凌官网披露的信息,对于主逆变器来说,采用SiC模块替代IGBT模块,其系统效率可以提高5%左右。在电池容量相同的情况下,其续航里程可提高 5%;在续航里程相同的情况下,电池容量可以减少5%,可为新能源汽车的使用节约大量成本。

 

2020年,比亚迪汉EV车型电机控制器使用其自主研发制造的SiC MOSFET 控制模块,可以在更高的电压平台下工作,减少设备电阻损失。比亚迪汉在电力电子系统更小的体积(同功率情况下,体积不及硅基IGBT的50%)下达到更高功率(363Kw),提升车型的加速性能,实现3.9s内0-100公里的加速,延长汽车的续航里程(605公里),这均与碳化硅低开关、耐高压、耐高温、导热率高的优良特性有关。

Yole的数据显示,2019年碳化硅功率器件的市场规模为5.41亿美元,预计 2025年将增长至25.62亿美元,复合年增长率达30%。

抓住高附加值的衬底

目前世界上的SiC制造厂商主要是英飞凌、Cree和Rohm,三家企业占据90%的碳化硅市场份额。以导电型产品为例,2018年美国占有全球碳化硅晶片产量的70%以上,仅CREE公司就占据一半以上市场份额,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。

 

将产业链展开,半导体芯片结构分为衬底、外延和器件结构。衬底通常起支撑作用,外延为器件所需的特定薄膜,器件结构即利用光刻刻蚀等工序加工出具有一定电路图形的拓扑结构。

 

目前通常采用物理气相传输法(PVT 法)制备碳化硅单晶,再在衬底上使用化学气相沉积法(CVD 法)等生成外延片,最后制成相关器件。目前主流氮化镓器件公司大多也都采用碳化硅衬底,因为基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好,良率更高,更能体现氮化镓材料优势。

 

在 SiC器件产业链中,由于衬底制造工艺难度大,产业链价值量主要集中于上游衬底环节,在碳化硅器件成本结构中,衬底成本约占 50%。

碳化硅衬底较低的供应量和较高的价格一直是制约碳化硅基器件大规模应用的主要因素之一,碳化硅衬底需要在 2500度高温设备下进行生产,而硅晶只需 1500度;碳化硅晶圆约需要7至10天,而硅晶棒只需要2天半;目前碳化硅晶圆主要是4英寸与6英寸,而用于功率器件的硅晶圆以8英寸为主,这意味着碳化硅单晶片所产芯片数量较少、碳化硅芯片制造成本较高,目前碳化硅功率器件的价格仍数倍于硅基器件。

 

到 2025年,碳化硅有望下降至500美元以下,硅基和sic基的成本差距会在2倍内,一些高电压大电流的功率器件会被碳化硅替代和渗透。

 

截至2021年,我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30家,近年来规划总投资已经超过300亿元,规划总产能已经超过180万片/年。露笑科技、山东天岳、天科合达等多家国内公司陆续投资建厂,一方面,建成更加完善的产业链,实现6英寸碳化硅衬底的产业化生产;另一方面,推进8英寸碳化硅衬底的研发,缩小与国际龙头企业的技术差距。

 

根据《2020年中国第三代半导体碳化硅晶片行业分析报告》,山东天岳市占率为 2.6%;天科合达市占率由2019年的3%上升至2020年的5.3%。

 

天科合达是国内最早实现碳化硅晶片产业化生产的企业,建立了国内第一条碳化硅晶片中试生产线,率先研制出6英寸碳化硅晶片,相继实现2英寸至6英寸碳化硅晶片产品的规模化供应。截至2020年3月,公司拥有已获授权的专利 34项,其中已获授权发明专利33项(含6项国际发明专利)。通过多年研发,公司具备生产高品质晶片的能力,4-6英寸晶片科技成果产业化效果显著。

 

山东天岳已掌握涵盖了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工等环节的核心技术,自主研发了不同尺寸半绝缘型及导电型碳化硅衬底制备技术。截至2020年末,公司拥有授权专利286项,其中境内发明专利66项,境外发明专利1项。根据国际知名行业咨询机构 Yole 的统计,2019年及2020年,山东天岳已跻身半绝缘型碳化硅衬底市场的世界前三。

 

碳化硅衬底可突破传统材料的物理限制,碳化硅器件将被广泛用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天、5G通讯、国防军工等高成长性领域,产业发展前景不可估量,具备国产替代实力的企业可以长期关注。