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        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

          曉雅        2021-07-05 09:49:16

        硅是目前制造芯片和半導體器件最廣泛的原材料, 90%以上的半導體產品是以硅為原材料制成的。然而受材料本身特性的限制,硅基功率器件已經漸漸難以滿足 5G 基站、新能源車及高鐵等新興應用對器件高功率及高頻性能的需求。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代


        碳化硅是第三代半導體材料,作為寬禁帶半導體材料的一種,與硅的主要差別在禁帶寬度上,這讓同性能的碳化硅器件尺寸縮小到硅基的十分之一,能量損失減少了四分之三,成為制備高壓及高頻器件新的襯底材料。 碳化硅器件具備廣闊的應用領域和市場空間, 2019 年全球碳化硅功率器件市場規模為 5.41 億美元,預計 2025 年將增長至 25.62 億美元,年化復合增速約 30%。


        本期解析碳化硅材料的性質特點、應用范圍和市場格局。


        一、 碳化硅,第三代半導體材料


        第三代半導體材料又稱寬禁帶半導體材料,和傳統硅材料主要的區別在禁帶寬度上。禁帶寬度是判斷一種半導體材料擊穿電壓高低的重要指標,禁帶寬度數值越大,則該種材料制成器件的耐高壓能力越強。以碳化硅為代表的第三代半導體材料往往具備更寬的禁帶寬度,因此也被稱為寬禁帶半導體材料(大于 2.3eV)。


        由于氮化鎵在材料制備環節仍有技術難度,當前具備大規模量產條件的可用于制備功率器件的第三代半導體材料僅有碳化硅。根據天科合達招股書數據,4H 型碳化硅的禁帶寬度為 3.2eV,是硅材料禁帶寬度 1.1eV 的約 3倍,這使得其擊穿電場強度達到了硅的約 7 倍,非常適合用來制備功率器件。


        除了更耐高壓,碳化硅基功率器件在開關頻率、散熱能力和損耗等指標上也遠好于硅基器件。除了禁帶寬度更寬,碳化硅材料還具有更高的飽和電子遷移速度、更高的熱導率和更低的導通阻抗,碳化硅器件相比于硅基器件的優勢體現在:


        1、 阻抗更低,可以縮小產品體積,提高轉換效率;


        2、 頻率更高,碳化硅器件的工作頻率可達硅基器件的 10 倍,而且效率不隨著頻率的升高而降低,可以降低能量損耗;


        3、 能在更高的溫度下運行,同時冷卻系統可以做的更簡單。碳化硅功率器件工作溫度可達 600℃以上,是同等硅器件的 4 倍,可以承受更加極端的工作環境。


        碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小,能量密度越來越大,這也是為什么幾乎全球的半導體巨頭都在不斷研發碳化硅器件的原因。根據 ROHM 的數據,一款 5kW 的 LLC DC/DC 轉換器,其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格硅器件的 1/10,碳化硅 MOSFET 系統能量損失小于硅基 IGBT 的 1/4,這些優勢也能夠為終端產品帶來顯著的性能提升。根據 CREE 的數據,相同的電池下搭載了碳化硅 MOSFET 的電動車比使用硅基 IGBT 的電動車續航里程增加了 5%——10%。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲同規格碳化硅器件性能優于硅器件


        碳化硅襯底依電阻率不同分為導電型和半絕緣型兩類,分別外延沉積碳化硅和氮化鎵后,用于功率器件和射頻器件的制作。


        1、 導電型襯底:具有低電阻率(15——30mΩ·cm)的碳化硅襯底。通過在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層,制得碳化硅同質外延片,可進一步制成肖特基二極管、MOSFET、IGBT 等功率器件。


        2、 半絕緣型襯底:具有高電阻率(≥105Ω·cm)的碳化硅襯底。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層,制得碳化硅基氮化鎵外延片,可進一步制成微波射頻器件。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲碳化硅器件產業鏈


        優異的性能使得碳化硅材料應用領域廣闊,目前主流的器件種類為功率器件(碳化硅基碳化硅)和射頻器件(碳化硅基氮化鎵),可以說需要高壓和高頻器件的應用場景,都是碳化硅潛在替代的市場。尤其是對電力轉換需求頻繁、使用條件苛刻及對模塊體積和重量等有要求的場景,碳化硅器件優勢明顯:


        1、 功率器件(電力電子領域)


        應用一:電動車逆變器及充電樁。電動車逆變器是碳化硅功率器件最為主要的市場,在相同功率下,碳化硅模塊封裝尺寸更小,損耗更低。在動力電池性能提升已經有限的情況下,碳化硅功率器件將成為提升電動車延長行駛里程、縮短充電時間及增大電池容量的重要手段。


        國內外知名車企也在積極推動碳化硅器件的應用。特斯拉是全球第一家將碳化硅 MOSFET 應用于商用車主逆變器的廠商,Model 3 的主逆變器采用了意法半導體生產的 24 個碳化硅MOSFET 功率模塊。隨后國內廠商比亞迪也迅速跟進,在漢 EV 上搭載了自主研發的碳化硅功率模塊。未來隨著碳化硅材料成本的不斷下降,未來將有更多車型使用碳化硅器件。碳化硅器件也可應用于新能源汽車 充電樁,可以減小充電樁體積,提高充電速度。


        應用二:光伏逆變器。光伏發電系統中,硅基逆變器成本占系統的 10%,但卻是系統能量損耗的主要來源。使用碳化硅 MOSFET 功率模塊的光伏逆變器,轉換效率可從 96%提升至 99%以上,能量損耗降低 50%以上,設備循環壽命提升 50 倍,從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。


        應用三:軌道交通。軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件,其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化硅器件的需求。其中牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備,碳化硅器件的應用可以提高牽引變流器裝置效率,提升系統整體效能。2014 年,日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機3300V/1500A 全碳化硅功率模塊逆變器,開關損耗降低 55%、體積和重量減少 65%,電能損耗降低 20%至 36%。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲軌道交通中碳化硅滲透率將在 2050 年達到 90%


        碳化硅使功率器件突破了傳統硅基器件性能的上限,未來具備廣闊的市場空間。根據 Yole 報告,2019年全球碳化硅功率器件市場規模為 5.41 億美元,預計 2025 年將增長至 25.62 億美元,年化復合增速約30%。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲2019-2025 年碳化硅功率器件市場規模將快速增長(單位:美元)


        2、射頻器件(軍工及通訊領域)


        射頻器件是無線通信的核心部件,包括射頻開關、LNA、功率放大器和濾波器等。其中功率放大器是對信號進行放大的器件,直接影響著基站信號傳輸距離及信號質量。硅基 LDMOS 器件已經應用多年,但主要應用于 4GHz 以下的低頻領域。


        5G 通訊高頻、高速和高功率的特點對功率放大器性能也提出了更高的要求,碳化硅基氮化鎵具有良好的導熱性能、高頻率、高功率等優勢,成為 5G 移動通訊系統、新一代有源相控陣雷達等系統的核心射頻器件,有望替代硅基 LDMOS。 根據 Yole 的預測,2025 年功率在 3W 以上的射頻器件中,砷化鎵器件市場份額保持不變,碳化硅基氮化鎵將替代大部分硅基LDMOS,占市場 50%左右的份額。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲不同材料射頻器件應用范圍對比

        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲不同類型射頻器件市場份額預測(功率 3W 以上)


        根據 Yole 的報告,預計全球氮化鎵射頻器件市場規模將持續增長,預計從 2019 年的 7.4 億美元增長至2025 年的 20 億美元,年化復合增速達 18%。半絕緣型碳化硅襯底需求有望受益。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲2019-2025 年氮化鎵射頻器件市場規模將持續增長(單位:美元)


        二、技術難度高,海外龍頭統治市場


        碳化硅與硅基器件的原理相似,但碳化硅無論是材料還是器件的制造難度,都顯著高于傳統硅基。其中大部分的難度都是碳化硅材料高熔點和高硬度所需特殊工藝帶來的。碳化硅器件的生產環節主要包括襯底制備、外延和器件制造封測三大步驟。各步驟中難度和價值量最高的是襯底制備環節,而襯底制備環節中晶體生長是最困難的步驟。


        碳化硅襯底的主要制備工序為,將高純的碳化硅粉在特殊溫度下,采用物理氣相傳輸法(PVT)生長不同尺寸的碳化硅晶錠,再經過切割、研磨等多道工序產出碳化硅襯底。


        碳化硅晶體生長難度高,工藝是核心。碳化硅性能有明顯優勢,卻始終未能轉換成市場規模,最主要的原因是碳化硅襯底制造困難。


        與傳統的單晶硅使用提拉法制備不同,碳化硅材料因為一般條件下無法液相生長,只能使用氣相生長的方法,如物理氣相傳輸法(PVT)。這也就帶來了碳化硅晶體制備的兩個難點:


        1、 生長條件苛刻,需要在高溫下進行。一般而言,碳化硅氣相生長溫度在 2300℃以上,壓力 350MPa,而硅僅需 1600℃左右。高溫對設備和工藝控制帶來了極高的要求,生產過程幾乎是黑箱操作難以觀測。如果溫度和壓力控制稍有失誤,則會導致生長數天的產品失敗。


        2、 生長速度慢。PVT 法生長碳化硅的速度緩慢,7 天才能生長 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出約 2m 長的 8 英寸硅棒。


        同時碳化硅材料本身的特性也讓晶體生長難度較高,帶來了另外兩個難點:


        3、 材料晶型多樣。碳化硅有超過 200 種相似的晶型,需要精確的材料配比、熱場控制和經驗積累,才能在高溫下制備出無缺陷、皆為 4H 晶型的可用碳化硅襯底(其他晶型不可用)。


        4、 材料硬度大,后加工困難。碳化硅是硬度僅次于金剛石的材料,晶棒后續的切片、研磨、拋光等工藝的加工難度也顯著增加。


        在上述技術難點的影響下,能夠穩定量產大尺寸碳化硅襯底的企業較少,這也使得碳化硅器件成本較高。


        碳化硅器件制造必須要經過外延步驟,外延質量對器件性能影響很大。碳化硅基器件與傳統的硅器件不同,碳化硅襯底的質量和表面特性不能滿足直接制造器件的要求,因此在制造大功率和高壓高頻器件時,不能直接在碳化硅襯底上制作器件,而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質量的外延材料,并在外延層上制造各類器件。因此外延的質量對器件性能的影響非常大。


        外延的質量又受到襯底質量的影響。在外延過程中產生的缺陷,很多都是從襯底中直接復制來的,因此襯底的質量和加工水平對于外延的缺陷控制也十分關鍵。


        碳化硅材料外延主要是要控制外延的厚度和摻雜濃度兩個參數。器件依據不同的設計,所需的外延參數也不同。一般而言,外延的厚度越大,器件能夠承受的電壓也就越高。但外延層厚度越大,高質量外延片的制備就越困難,尤其是在高壓領域,對缺陷的控制是非常大的挑戰。


        碳化硅功率器件制造原理與傳統硅基相似,但因為材料性質的改變,所需設備和技術難度有增加。碳化硅產業鏈大部分難點在襯底生長環節,不過在器件制造過程中的難度也有所增加,主要體現在部分工藝需要在高溫下完成:


        1、 摻雜步驟中,傳統硅基材料可以用擴散的方式完成摻雜,但由于碳化硅擴散溫度遠高于硅,無法使用擴散工藝,只能采用高溫離子注入的方式;


        2、 高溫離子注入后,材料原本的晶格結構被破壞,需要用高溫退火工藝進行修復。碳化硅退火溫度高達 1600℃,這對設備和工藝控制都帶來了極大的挑戰。


        3、碳化硅器件工作溫度可達 600℃以上,組成模塊的其他材料,如絕緣材料、焊料、電極材料、外殼等也無法與硅基器件通用;


        4、器件的引出電極材料也需要同時保證耐高溫和低接觸電阻,大部分材料難以同時滿足兩條要求。


        功率器件的穩定性和工藝成熟度十分重要,上述以“高溫”為核心的難點構筑了較強的技術壁壘。上述工藝不成熟會導致碳化硅功率器件存在缺陷,從而影響其長期工作的可靠性。因此目前全球絕大部分器件制造產能仍掌握在具備襯底技術的巨頭(科銳公司、羅姆公司)及具備較多功率半導體制造經驗的 IDM 廠商(英飛凌、意法半導體等)手中。


        碳化硅器件的產業鏈主要由上游襯底材料及外延、中游器件制造和下游應用,以及各環節所用設備構成。目前產業的參與者主要以兩類海外廠商為主:


        傳統功率半導體龍頭:英飛凌(歐洲)、意法半導體(歐洲)、三菱電機(日本)、安森美(美國)、瑞薩電子(日本)、羅姆(日本)等。這些公司憑借著在硅基功率器件制造中積累的經驗,提前布局碳化硅器件的制造。目前這些廠商是碳化硅功率器件制造的主力。


        具備光電子和光通信材料技術的公司:CREE(科銳,美國)、道康寧(美國)、II-VI(貳陸公司,美國)、昭和電工(日本)等?;衔锇雽w材料在光電子和光通信領域有著廣泛的應用,這些公司依靠著在材料領域積累的優勢,從材料端切入了碳化硅產業鏈,并基本實現從襯底到外延的連續布局。


        其中,科銳和羅姆兩家廠商已經具備了從材料端到器件生產端的全流程覆蓋,具備產業鏈中最強的實力。其他廠商大多專注于其中的 1——2 個環節。


        近年來,國內廠商追趕進度明顯,產業鏈布局完善,各個環節也都出現了大量的國內參與者:


        襯底環節:天科合達、山東天岳和同光晶體等,已經實現 4 英寸襯底商業化,逐步向 6 英寸發展;


        外延環節:瀚天天成、東莞天域等;


        器件環節:泰科天潤、華潤微、基本半導體等。


        其中三安集成、世紀金光等也成功實現了產業鏈貫通,進行了全流程布局。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲碳化硅器件產業鏈各環節主要參與者


        三、碳化硅:中國半導體的新機遇


        從碳化硅本身來看,其對傳統硅基功率器件的替代是順應時代和科技趨勢的必然。下游需求的熱點已經逐步從智能手機和 4G 為代表的移動互聯網時代,轉向智能汽車和 5G 為代表的的物聯網時代,在新的時代背景下,功率器件大放異彩的機會已經來臨。


        碳化硅器件的爆發離不開下游需求的持續擴張,終端廠商正積極導入。碳化硅材料和器件的優異性能市場早有認識,但是近幾年才逐步形成產業規模,除了因為技術的成熟外,下游應用端對更高性能器件有著迫切的需求,也促使各下游積極驗證和導入碳化硅產品。


        產業鏈各環節產能增長,但供給仍然不足。據 CASA 數據顯示,SiC 電力電子方面,SiC 導電型襯底折算 4英寸產能約為 40 萬片/年,SiC-on-SiC 外延片(表示在碳化硅襯底上沉積碳化硅)折算 6 英寸產能約為 22萬片/年,SiC-on-SiC 器件/模塊(4/6 英寸兼容)產能約 26 萬片/年。


        微波射頻方面,SiC 半絕緣襯底折算4 英寸產能約為 18 萬片/年。2020 年,新能源汽車、快充、5G 等下游應用市場增長超預期,國內現有產品商業化供給無法滿足市場需求,SiC 電力電子和射頻存在較大缺口。


        供需錯配下,供給端已成為碳化硅重要的制約因素,技術優勢帶來的穩定產能將是重要的競爭力。在旺盛的需求下,具備量產能力的廠商大都會受到市場的青睞和認可,尚無須憂慮產業出現充分的競爭,因此企業加強自身的研發和技術攻關,制造出高性能、高良率和可靠性的產品是當前的第一要義,更大的產能儲備將是最為重要的競爭力。


        碳化硅器件具備足夠多的優勢,但價格相較于傳統硅基器件仍然偏高。從襯底角度來看,受碳化硅生長速度較慢的影響,一片6寸的碳化硅晶圓價格在 1000 美元以上,是同尺寸硅晶圓價格的 20 倍以上。因此襯底占據了碳化硅器件近一半的成本。因此碳化硅價格下降的幅度也會顯著影響碳化硅器件替代的速度。


        第三代芯片材料碳化硅,有望引領中國半導體進入黃金時代

        ▲襯底占碳化硅器件成本的近一半


        但是,碳化硅器件與傳統產品價差正在持續縮小。第三代半導體產業技術創新戰略聯盟表示,2020 年受疫 情影響產品交期有所延長,但碳化硅器件的價格有所下降:


        SiC SBD 實際成交價與硅器件價差已經縮小至 2——2.5 倍之間。根據 Mouser 的公開報價,650V 的 SiCSBD 2020 年底的平均價格是 1.58 元/A,較 2019 年底下降了 13.2%。1200V 的 SiC SBD 的平均價是3.83 元/A,較 2019 年下降了 8.6%。據 CASA 調研,實際成交價低于公開報價,基本約為公開報價的60%-70%,較上年下降了 20%-30%,實際成交價與 Si 器件價差已經縮小至 2-2.5 倍之間。


        SiC MOSFET 降價明顯,與硅器件價差收窄到 2.5——3 倍之間。根據 Mouser 的公開報價,650V、900V、1200V、1700V 的 SiC MOSFET 在 2020 年底的平均價格分別同比下降了 13%、2%、27.62%、33.4%。而從實際成交價格來看,650V、1200V 的 SiC MOSFET 價格較 2019 年下降幅度達 30%-40%,與Si 器件價差也縮小至 2.5——3 倍之間。


        價格下降幅度會顯著提高碳化硅器件的替代速度,從而反向刺激需求,形成正向循環。目前碳化硅器件價格已經下降到高端新能源車型可以接受的程度,隨著晶圓尺寸做大和良率不斷提升,未來仍有降本空間,碳化硅功率器件有望逐步向中低端車型滲透。


        國內半導體廠商在積極發揮自身優勢,大力布局第三代半導體行業。第三代半導體對我國而言意義非凡,是中國大陸半導體(尤其是功率和射頻器件)追趕的極佳突破口。碳化硅器件的意義不僅在于其本身的優異性能,其更是會對產業帶來全方位的帶動,碳化硅有望引領中國半導體進入黃金時代:


        1、 在第三代半導體追趕的路上,中國企業受到的阻礙將小于傳統硅基領域。在傳統的硅基半導體領域,技術進步已經明顯放緩,發達國家依靠著數十年的研發和布局,積累了足夠多的專利,并掌控著上游關鍵材料和設備的技術和供應鏈,占據著對中國半導體進行制 裁、發動科技戰的主動權。在產業配套全面落后的情況下,中國在硅基半導體領域的替代進程緩慢。


        而在第三代半導體產業中,中國企業與海外龍頭的差距已經明顯縮小,發達國家可以用來制 裁和控制中國第三代半導體發展的手段和技術也十分有限,中國企業正迎來追趕和發展的良機。


        2、 產業鏈的配套整合更加充分,為中國半導體企業帶來以往不具備的發展機會。以往國內半導體廠商追趕困難另一個原因是沒有足夠多的試用和上線機會,難以用客戶的反饋和問題來正向激勵研發。目前來看第三代半導體器件主要的應用領域如新能源車、光伏和高鐵等,未來的主戰場都集中在中國,國內企業也與國內車企和家電企業等進行了配套和產業合作,國產器件逐漸導入終端產品供應鏈,為國內企業帶來更多試用、改進的機會。


        目前,雖然在以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料研究和部署方面,美、日、歐仍處于世界領先地位。由于其未來戰略意義,我國早已對寬禁帶半導體材料器件研發進行針對性規劃和布局,但是近些年的發展似乎差強人意,究其根本,主要原因是高制造成本和低技術成熟度?,F在,隨著國內企業的技術不斷發展和成本的不斷下降,中國的第三代半導體材料有望最先實現國產替代。


        來源:智東西,東興證券

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