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1、2022年第三代半导体行业发展现状及细分产业分析1.新材料:高新技术基础及先导当前，我国新材料产业发展面临着重大战略机遇，以新一代信息技术、航空航 天、物联网、新能源汽车和轨道交通等代表的战略性新兴产业快速发展对材料产业 提出了更高要求，新材料研发的迫切性前所未有。中国制造 2025、新材料产业发 展指南、重点新材料首批次应用示范指导目录（2019 年版）等政策文件相继出台， 为我国新材料产业发展指引方向。 我们认为，相较于自然资源及终端应用材料，位于产业链中游的材料以其能深 远影响下游产业发展及决定自然资源使用方式，是最具投资价值的赛道。新材料是传统产业升级和战略性新兴产业发展的基石。新材料
2、是指新出现的具 有优异性能和特殊功能的材料，及传统材料改进后性能明显提高或产生新功能的材 料。新材料技术高度密集，不仅对电子信息、生物技术、航空航天等高新技术产业的 发展起着支撑和先导的作用，也推动着机械、能源、化工、轻纺等传统产业的技术改 造和产品结构的调整。因而新材料的创新能力，将在相当程度上决定未来中国制造 业的整体水平，决定中国在产业价值链上的高度。新材料公司的内在价值，我们认为取决于核心竞争力、市场拓展、未来发展潜 力及估值等四大因素。新材料自身并非宝藏，生产流程中的工艺或设备才是新材料公司的核心竞 争力。新材料的“新”是指相较传统材料某些性能有明显提升或出现了某些新功能，其 是决定
3、能否取代传统材料甚至替代传统材料，抑或是开辟新兴行业的首要因素。从 新材料的出现途径来看，新材料大致可分为两大类：一类是由传统材料经过新工艺 或新设备改性而来，一类则是完全自主研发的新型材料。考虑到新材料的上游均为 基础的原料，因而生产流程中的工艺或者设备的优劣是决定其性能或功能的关键所 在。技术成熟程度定义坡点，切中行业痛处铺就长坡。一直以来，对于新材料 企业的投资价值的思考，主要在于新材料的技术成熟度及下游应用市场的 开拓：技术成熟度方面，Maine 于 2016 年在nature materials上发表论文指出， 新材料技术研发周期较长，实现商业化的时间平均 10 年以上，与生物科技相
4、近，远 多于软件技术，因而新材料技术的成熟度很大程度上决定着新材料企业的投资价值。 工信部在 2019 年发布的GB/T37264-2018 新材料技术成熟度等级划分及定义中将 新材料的技术成熟度划分为实验室、工程化和产业化三个阶段九个等级。其中产业 化阶段表明企业生产工艺成熟，可批量生产并能实现全部功能完全满足预期使用目 标的实物，预示着新材料技术真正可以直面市场的考验。下游应用市场的开拓方面，新材料市场具有一定的不确定性，其主要原因有三 点：（1）新材料企业在行业价值链中处于上游，它们往往远离最终消费者，不易评估 消费者的需求，因此市场的直接反馈较少；（2）新材料在商业应用之前往往需要其
5、他技术的跟进，这种对互补性创新的需求增加了市场的不确定性；（3）最有潜力的 新材料创新往往是不连续的，客户不易理解或观察到，这种创新不可见性增加了市 场的不确定性。选择目标市场并进行技术-市场匹配对新材料领域至关重要，能否把握住传统行业的痛点是其市场开拓的关键。新兴产业快速发展促使新材料产品不断更新换代，新材料翻“新”或下沉 市场的速度决定着企业的未来。近年来，高端装备、电子信息、新能源、生物医用、3D 打印及节能环保等新兴 产业领域保持较快发展势头，这对关键基础材料提出新的挑战和需求，新材料翻“新” 或下沉市场的速度无疑主宰了企业的未来。 新材料翻“新”方面，计算机第一定律的摩尔定律指出 I
6、C 上可容纳的晶体管数 目，约每隔 18 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。其背后折射的无疑是半导体 材料快速的推陈出新速度，短短五十年半导体材料就完成了三代跨越，同时也推动 了化合物材料、石墨烯等新式材料在半导体中的应用。下沉市场方面，特种材料罗杰斯公司在 70 年代中期主打的短玻纤增强型的覆铜板是军工、航空等领域通讯系统不可或缺的新材料；进入 20 世纪以来，罗杰斯将改 进的高频覆铜板成功应用到 5G 基站中，市占率达到 70%，市值近四年来屡创新高， 增幅一度达到 376%，几乎再造了 4 个罗杰斯。新材料企业实际成长路径可能是初创期、业绩成长期、成熟期、业绩扰动 期等多个阶段的组合，
7、适用的估值方法也会随之变动。海外新材料企业大多于上个世纪 50 年代左右成立，整体上已处于较为成熟的阶 段，但国内多数新材料企业均诞生于 21 世纪初期，发展周期落后于同类海外公司， 因而选择合适的海外公司进行对标可提供相对准确的估值参考。 初创期：处于发展初期阶段的企业产品规模小，需要大量研发投入，净利润不 稳定，因而更适用 PS 或者市研率估值 成长期：快速成长期的企业已经形成了较为完整的商业模式，业务规模不断扩 张，因此我们需要重点关注该类型企业的盈利增速和盈亏平衡点。对仍处于亏损但 业绩处于快速增长状态的企业可以按照 PS 或者市研率进行价值评估，对于已经跨过 盈亏平衡点，盈利进入高增
8、长阶段，可使用 PEG、EV/EBIDTA 法进行估值。 成熟期：处于成熟期的企业形成了完整的产品结构，拥有持续稳定的盈利能力 和现金流，营收增速趋于平稳，常采用主流方法进行价值评估，包括 PE 估值、PB 估 值、EV/EBITDA 估值等。 业绩调整期：业绩出现波动时，可根据资产变动或营收情况使用 P/B 或 P/S 提 供短期估值参考，并在企业经营恢复时逐步切换回基于盈利预期的估值方法。2.第三代半导体:能源转换链中的革命英飞凌科技电源与传感事业部大中华区应用市场总监程文涛在接受中国电子 报记者采访时指出：“在整个能源转换链中，宽禁带半导体的节能潜力可为实现长 期的全球节能目标作出贡献。
9、宽禁带技术将推动电力电子器件提高效率、提高密度、 缩小尺寸、减轻重量、降低总成本，因此将在数据中心、智能楼宇、个人电子设备等 应用场景中为能效提升作出贡献。”2.1 碳化硅是功率器件的优质衬底材料半导体材料指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，是半导体行业中 必不可少的核心部分。物质通常被人们分为三类：金属材料，如金、银、铜、铁、锡 等，因其具有良好的导电、导热性被称之为导体；塑料、橡胶、陶瓷、金刚石、人工 晶体、琥珀等导电、导热性差的材料被称之为绝缘体；而半导体则是一种在常温状 态下导电能力优于绝缘体但不如导体的物质。纯净的半导体在绝对零度环境下满带 中被电子填满，而在导带中没有电子，
10、此时在外电场的作用下，如果满带仍是被电 子填满的状态，外电场不能增加电子的动量，也不能使满带中电子的能量状态产生 变化，因而不能使电子产生定向的运动，也就不会产生电流。此时若通过增加热量、 光照射或者增强外电场等方式激发满带中电子，使满带中的电子得到足够多能量， 使其越过禁带宽度 Eg 而跃迁到导带上去，此时半导体就能够导电。半导体产业作为电子元器件产业中最重要的组成部分，根据不同的产品可分为 分立器件、集成电路、其他器件等，分立器件可进一步分为功率器件、晶闸管、晶 体管等，其中功率器件是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电 子装置中电压和频率、直流交流转换等。半导体分立器件是电
11、力电子产品的基础之 一，也是构成电力电子变化装置的核心器件之一，主要用于电力电子设备的整流、 稳压、开关、混频等，具有应用范围广、用量大等特点，在消费电子、汽车电子、电 子仪器仪表、工业及自动控制、计算机及周边设备、网络通讯等众多国民经济领域 均有广泛的应用。功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上是通 过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能，来实现变频、变相、 变压、逆变、整流、增幅、开关等，被广泛应用于汽车、通信、消费电子和工业领域。目前 Si 是最常见的功率器件用半导体衬底材料，在经过功率 MOSFET 和 IGBT 的 开发，Si 功率开关器件的性能得到了显著
12、的提升。然而，目前 Si 基功率器件技术由 于材料自身的性能，已经很难再有所突破了。因而近年来，第二代半导体材料及第 三代半导体材料应运而生。第一代半导体材料从首次通过直拉法成功制备出来至今已有百年历史，为 现代半导体行业的发展做出巨大贡献，因其储量较为丰富，制备工艺成熟， 在现阶段仍然被很多领域广泛应用，在整个行业中 95%以上的半导体器件 由硅材料制成。硅材料是集成电路的核心，硅材料产业的发展也与集成电 路产业的发展紧密相关。随着人们对科学技术的不断探索，半导体硅材料 因其自身特性的原因在高压、高频器件方面的应用有一定的局限性。第二代半导体材料在物理性能上与第一代半导体材料相比有了明显的进
13、步， 比如带隙较宽，电子迁移率较高，更适合高压、高频器件的工作环境，而且 其性能也更符合现代通讯业的需求。但第二代半导体材料也有着明显的弊 端。禁带宽度虽然比第一代半导体材料大，但击穿电压仍旧不够高，在高 温、高功率的情况下应用，效果并不理想。另外，砷化镓的原材料有毒，对 环境不够友好，制备过程中的风险偏高。第三代半导体材料随着智能时代的来临而备受青睐，禁带宽度明显增加， 击穿电压较高，抗辐射性强，电子饱和速率、热导率都很高。基于上述特性 第三代半导体材料不仅能够在高压、高频的条件下稳定运行，还可在较高 的温度环境下保持良好的运行状态，并且电能消耗更少，运行效率更高。SiC 的绝缘击穿场强是
14、Si 的 10 倍，因此与 Si 器件相比，能够以更高的掺杂浓 度并且膜厚更薄的漂移层制作出 600V数千 V 的高压功率器件。高压功率器件的电 阻成分主要由该漂移层的电阻所组成，因此使用 SiC 材料可以实现单位面积导通电 阻非常低的高压器件。理论上当耐压相等时，SiC 在单位面积下的漂移层电阻可以降 低到 Si 的 1/300。对于 Si 材料来说，为了改善由于器件高压化所带来的导通电阻增 大的问题，主要使用例如IGBT等少数载流子器件，但是却存在开关损耗较大的问题， 其结果是所产生的发热问题限制了 IGBT 的高频驱动应用。SiC 材料能够以具有快速 器件结构特征的多数载流子器件实现高压
15、化，因此可以同时实现“高耐压”、“低导 通电阻”、“高频”这三个特性。可在高频段高压段工作。高频高压是第三代半导体材料器件的最大特性， 最早被应用的第三代半导体材料器件包括碳化硅（SiC）、高频和短波器件， 目前应用市场已成熟，同时碳化硅（SiC）器件也适用于极端的工作环境。 42GHz 碳化硅 CMESFET 在军用雷达和通信领域的应用成为各国角逐的领域。可在较高温度下工作。SiC 材料及其器件结构有天生的耐高温能力，在真空 条件下甚至可耐达 400 至 600的高温。在实际应用中，为防止接触空气而 产生氧化，SiC 器件必须采用耐高温的封装。150结温是业界目前的最高 标准，175结温等级
16、刚刚开始展露，有标准化封装可以采用，而 200乃 至更高温的封装对封装材料和工艺要求十分严苛，而且必须根据裸片特征 进行定制设计，以保证导热和散热性能要求。实现高效率的能源传输与利用。传统的硅基材料不能提供较低的导通电阻， 在进行电力传输或转移的过程中会造成能量的大量损耗，而碳化硅（SiC） 元件则可以避免这样的损耗。碳化硅（SiC）元件具备高导热特性，材料又 有宽能隙、耐高压和承受大电流的特性，可以降低导通时的损耗，更符合高 温作业环境和高能效利用的要求。有助于产品实现小型化。使用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料制备的功 率元器件具备高速开关动作和耐热性较高两个特性，开关频率越高，构成
17、 电力转换器的电感器等部件实现小型化就越容易。另外，耐高温、电能利用 率高也是电力转换器小型化的必要条件。SBD 器件方面，碳化硅基 SBD 器件相较硅基 SBD 器件具有耐高压、高温不易失 控及损耗小等特点。SiC-SBD 和 Si-SBD 均具有高速性的特征，SiC-SBD 不仅拥有优异的高速性 且实现了高耐压，部分公司已经开始量产 1200V 的产品，同时在推进 1700V 耐压的产品。SiC 材料的温度特性变动比 Si 小，在高温条件下特性更稳定。快速硅二极 管的 trr 随温度上升而增加，而 SiC 肖特基二极管则能够保持几乎恒定的 trr，因此，在高温工作时，开关损耗几乎没有增加。
18、SiC 肖特基二极管相对于传统硅二极管的反向恢复电流 IRRM 降低了 50%以 上，反向恢复电荷 QRR 及关断损耗 Eoff 降低了 90%以上。可以看出 SiC 肖 特基二极管的动态损耗极低，可以显著减少功率模组的开关损耗，节约用 于冷却的开支并提升模组的功率密度。MOSFET 器件方面，碳化硅基 MOSFET 器件相较硅基 IGBT 器件具有损耗小、导通 电阻低及耐高压等特点。开通损耗和关断损耗均为晶体管等半导体元件开关时产生的损耗。开通损 耗是在元件 ON 时产生的损耗,关断损耗是在元件 OFF 时产生的损耗。理想 情况下,这些损耗应该为零,但实际上,由于结构上的缘故,在 ON 和
19、OFF 之间 切换时,不可避免地会流过不必要的电流,从而产生损耗,因此对于功率半 导体来说,设法减少这些损耗是非常重要的工作。根据欧姆定律，相对 Id，Vd 越低导通电阻越小，特性曲线的斜率越陡，导 通电阻越低。25时，SiC 及 Si MOSFET 的 Id 相对 Vd（Vds）呈线性增加， 但由于 IGBT 有上升电压，因此在低电流范围 MOSFET 元器件的 Vds 更低。 150时，SiC、Si-MOSFET 的特性曲线斜率均放缓，因而导通电阻增加。但 是，SiC-MOSFET 在 25时的变动很小，在 25环境下特性相近的产品，差 距变大，温度增高时 SiC MOSFET 的导通电阻
20、变化较小。2.2 新能源及通讯将支撑市场稳步发展提高能量效率、减少能量消耗及损耗是功率器件面临的基本问题。世界上电能 消耗占据总能量消耗的平均比例已经高于 20%，不管电能如何产生，将电能经济而有 效的传递到负载的过程需要用到电能的调节和变换，据碳化硅技术基本原理一 书数据，超过 50%的电能流经电能变换。一般而言，电子电力的效率受限于半导体器 件、电容、电感及封装的性能，特别是作为限制电能变换器性能和尺寸的关键部位， 高性能功率半导体器件受到越来越多的关注。开发高电压和低损耗的功率器件势必 成为未来绿色能源及智能电网的基础。电子电力学的概念由 Newwell 在 1973 年引 入，他设计利
21、用功率半导体器件和电路进行电能变换。通过调节和变换电能使电能 可以以最佳形式供给负载，电能变换包括直流-直流（AC-DC）、直流-交流（DC-AC）、 直流-直流（DC-DC）、交流-交流（AC-AC）。基于现有的技术，典型的电能变换效率仅 有 85%-95%,在常见的直流-直流（AC-DC）、直流-交流（DC-AC）变换中，变换的效率 甚至可以低至 80%。碳化硅衬底可以制作成半绝缘型衬底及导电型衬底，分别外延碳化硅及氮化硅 制作成功率器件或微波射频器件。碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底 材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。在碳化硅衬底上，主要使 用化学气相沉积法（
22、CVD 法）在衬底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，进一 步制成器件。其中，在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片， 可进一步制成功率器件，应用于新能源汽车、 光伏发电、轨道交通、智能电网、 航 空航天等领域；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（GaN-on-SiC）外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于 5G 通讯、雷达等领域。（1）功率电器领域，碳化硅器件可大幅降低能耗及可耐高压高频，被广泛应用 在电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通及智能电网领域，2025 年市场规模将超 百亿。与传统技术相比，碳化硅电力芯片能减少高达 75的能耗，还能够大幅度
23、减小 电力设备体积和重量。据 CASA Research 统计，2020 年国内 SiC 电力电子器件市场规模约为 46.8 亿 元，较上年同比增长 90%。据中国半导体行业协会数据显示，2020 年我国功率半导 体分立器件市场规模约为 3002.6 亿元，SiC 电力电子器件整体渗透率约为 1.56%。 市场规模增长的主要驱动因素是新能源汽车市场的快速渗透的爆发；而 2020 年光伏 市场是有国家补贴的最后一年，装机量出现恢复性增长。其中，SiC 器件占据的市场 规模有所回升。未来五年，SiC、GaN 电力电子器件应用市场将以 45%的年复合增长率增长至近 300 亿元。在中高压领域，SiC
24、 电力电子器件将继续渗透，新能源汽车仍将是最大应 用领域。在低压、小功率电源领域，包括 LED 驱动电源、电动工具电源、消费电源、 D 类音频，GaN 电力电子器件将是主角，成为驱动市场的新力量；在中压领域，GaN、 SiC 电力电子器件在数据中心服务器、路由器和网络交换机中的应用正呈现不断增 长的趋势。我国在“十四五”科技计划中将建设“面向大数据中心应用的 GaN 基高 效功率电子，应用于数据中心电源的 GaN 电力电子器件”提上日程。预计，未来这 个市场复合年均增长率将达到 66.5%；以此为契机，有条件的企业要加快储备相关技 术和完善专利布局，产业链相关的“政产学研用金”各方也加强协同，
25、共同建立良好 的产业生态。新能源汽车领域，国内 2020 年新能源汽车市场 6 英寸 SiC 晶圆需求量超过 4 万片，预计到 2025 年需求量将增长到近 30 万片。新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，全球范围内新能源车的普及趋势 逐步清晰化。在相同的续航能力下，基于碳化硅（SiC）的驱动系统解决方案所需的 电池重量和体积更小。同样，在相同的电池容量下，基于碳化硅（SiC）的驱动系统 使电动车续航里程更长。当电池容量超过 40 kWh 时，电池容量越大，使用碳化硅 （SiC）带来的成本节省越显著。此外，IGBT 模块是混合动力汽车和纯电动汽车中逆变器的关键元件，功率密度 越高，电力驱动
26、系统的设计则越紧凑。在相同功率等级下，全碳化硅（SiC）模块的 封装尺寸显著小于硅（Si）模块；在相同封装下，全碳化硅（SiC）模块具备更高电 流输出能力，支持逆变器达到更高功率。目前，碳化硅功率器件已被国际知名车企应用在其电动汽车上。电动驱动系统 中，主逆变器负责控制电动机，是汽车的关键元器件，特斯拉 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，是全球第一家将碳化硅 MOSFET 应用于商用车主逆变器的 OEM 厂商。2020 年 12 月，丰田汽车推出并公开发 售“Mirai”燃料电池电动汽车，是丰田汽车首次开始使用碳化硅功率器件。根据碳 化
27、硅器件特点和电动汽车的发展趋势，碳化硅器件是未来电动汽车的必然之选。CASA Research 预计国内 SiC 汽车市场将以 30.6%的复合年增长率增长，2020 年市场规模 15.8 亿元，到 2025 年将超过 45 亿元。预计国际 SiC 汽车市场将以 38.0 的复合年增长率增长，到 2025 将超过 100 亿元（Yole 预计 SiC 汽车市场将以 38 的复合年增长率增长，到 2025 年将超过 15 亿美元）。折算成晶圆，国内 2020 年新 能源汽车市场 6 英寸 SiC 晶圆需求量超过 4 万片，预计到 2025 年需求量将增长到 近 30 万片。国际 2020 年新能
28、源汽车市场 6 英寸 SiC 晶圆需求量超过 5 万片，到 2025 年需求量超过 60 万片。光伏及轨道交通领域，碳化硅器件可大幅降低能耗，预计渗透率持续提升。在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本占系统 10%左右，却是系统 能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合 的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。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发 展趋势。在组串式和集
29、中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。轨道交通车辆呈现多样化发展，从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、 高速列车，其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。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，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器， 能 极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨 道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，提升系统的整体效能。 2014 年，日本小田急电铁
30、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%。（2）射频器件领域，碳化硅的高导热性能能够满足 5G 通讯对高频性能和高功 率处理能力的要求，2025 年市场规模将超百亿。射频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色，是无线通信设备的基础性零部件， 主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放大器、双工器等。半绝缘型碳化硅衬 底制备的氮化镓射频器件主要为面向通信基站以及雷达应用的功率放大器。目前主 流的射频器件有砷化镓、硅基 LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。据 CASA Research
31、统计，2020 年国内 GaN 微波射频器件市场规模为 66.1 亿元， 较上年同比增 57.2%。5G 基站建设是影响 GaN 微波射频器件市场规模变化的主要因 素，预计 2022 年我国 5G 基站建设将达到高峰，带动国内 GaN 微波射频器件市场规 模迅速扩张。而 2023 年以后，我国 5G 基站建设规模将有所回落，但 2023 年开始， 毫米波基站将有望开始大规模部署，成为拉动市场的主要力量，带动国内 GaN 微波 射频器件市场规模成倍数增长。据公开数据显示，2020 年三大运营商宣布共完成 80 万站 5G 基站建设，2025 年 前我国 5G 宏基站预计将建设超过 500 万站。
32、国外 5G 基站建设情况慢于国内，截至 2020 年底，国外共完成 5G 基站建设 30-40 万站，未来几年建设总量将超过 300 万 站。而未来几年，GaN 射频器件在 5G 基站市场渗透率逐步攀升到 70%。2020-2022 年 是我国 5G 主频段部署高峰。2020 年我国 5G 宏基站 GaN PA 市场规模 73 亿元，到 2022 年市场规模接近 100 亿元，复合增长率达到 17.5%。2023 年毫米波基站将开始 部署，预计 PA 市场规模将有 5-10 倍的增长需求。整体来看，5G 基站、微基站及毫 米波基站带来的 GaN PA 市场规模将超过 1000 亿元。折算成晶圆
33、来看，我国 5G 宏基 站 4 英寸 GaN 晶圆总需求量约为 40 万片，2020 年需求量为 6.4 万片，2022 年需求 量进一步增长至 10 万片。若毫米波基站开始部署，其 4 英寸 GaN 晶圆总需求量约为 200-400 万片。2.3 价格及可靠性仍是扩大应用的难点受制于碳化硅长晶速度、加工难度及缺陷密度，碳化硅的成本一直居高不下， 其成本成为器件应用的难题。从最上游的碳粉、硅粉制备成碳化硅圆晶，在进行外 延，最后制备成 SBD、MOSFET、IGBT 等器件，圆晶及外延是整个环节最关键的一环。 他决定着上游原材料制备的方式及相关参数，同时也决定着下游器件的性能。碳化硅衬底外延生
34、长环节特点就是“慢”碳化硅单晶方面主要存在三点难点：对温度和压力的控制要求高，其生长温度 在 2300以上；长晶速度慢，7 天的时间大约可生长 2cm 碳化硅晶棒；晶型要求高、 良率低，只有少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才可作为半导体材料。外延部分，有别于硅基器件，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上， 外延必不可少，当前 CVD 法制备是应用最为广泛的方式。制备 SiC 外延层我们熟知 的方法有：液相外延法、分子束外延生长法、磁控溅射法、升华外延法、和 CVD 法 等。其中，液相外延法、分子束外延生长法、CVD 法是制备半导体器件所需 SiC 外延 层的方法中较为成熟的方法。对比以上三种
35、方法，MBE 法制备的 SiC 外延层的质量最 好，缺陷最少，但是生长速率较慢。在工业化生产方面考虑，由于 MBE 法和 LPE 法 生长的速率比较小，无法满足工业化生长的需求,而 CVD 法的生长速率较高，满足条 件。同时，CVD 法能够直接制备出复杂的半导体器件且 CVD 系统比较简单易操作，成 本较低。液相外延法（Liquid Phase Exptxy，LPE）：液相外延法是以低熔点金属为 溶剂，以待生长材料和掺杂剂为溶质，其中溶质为饱和或过饱和状态。通过 降温使得溶质在衬底上生长成一层材料，实现晶体的外延层生长，其中包 括同质外延层和异质外延层。这种方法能生长磁性材料和半导体材料的晶
36、体外延层，广泛光电器件、磁泡器件和半导体激光器等。LPE 是一种相对 较为简单的低廉的生长方法，最初 SiC 外延层制备是在利用过饱和的溶解 C 和 Si 的熔融硅条件下发生的，其中生长温度大约在 1650，其中外延层 的生长速度为 2-5um/h 左右。由于 SiC 和 C 都没有固定的熔点，因此生长 速率受 Si 的溶解度的影响。LPE 法的不足在于当外延层与衬底的晶格常数 超过 1%，制备的外延层表面均匀性较差，持此之外，由于分凝系数的差异， 除了生长较薄的涂层外，在生长方向上生长和掺杂复合涂层的均匀性比较 难，没有气相外延法容易。分子束外延生长法（Molecular Beam Expt
37、axy，MBE）：分子束外延法是 50 年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜发展而来的一种新的晶体生长技术， 方法为在超高真空的腔体和喷射炉（也在腔体中）中分别放置半导体衬底 和源材料，在这种条件下，源材料蒸发为分子束的形式进行运输，最后，源 材料在预热过的衬底上外延生成薄膜。随着超高真空技术发展，由于分子 束外延法开拓发展了很多超晶格器件，拓展了半导体科学的新邻域。分子 束外延法的优点是能够制备出超薄的半导体薄层，其生长速率约为 0.15nm/min；制备的外延层表面形貌好，均匀性好且面积大；可以制成不同 结构或者不同掺杂剂的多层结构；外延生长温度不高，有利于提高外延层 完整性和纯度；利用元素之
38、间的粘附性的差异能够制成化学配比好的化合 物半导体薄膜。法（Chemical Vapor Deposition，CVD）：化学气相沉积法是将化学气化学 气相沉积体或者蒸汽在基质表面合成涂层或纳米材料的一种方法，是在工 业中应用较为广泛的沉积材料的一种技术，包括大范围的绝缘材料，大部 分的金属材料，和金属合金材料等。CVD 法制备 SiC 通常是以 C 或者 SiC 为基地，在低压真空的条件下进行，源气体通过载气运输到反应室当中，随 后在反应室中迅速热解成中间气体扩散到基底的表面，被基底吸附后发生一系列的非均相反应生成 Si 外延层。SiC 外延衬底研究现状及其应用前景一文指出，国内从事高速外延
39、生长 SiC 厚膜研究的单位较少，鲜见 100m/h 以上外延速率工艺报道。随着国家节能减排任 务的加重，采用高效、节能电子元器件将成为必然趋势，厚膜 SiC 外延层在高压输 电、轨道交通、智能电网等领域将广泛使用，因此研究开发高速外延生长工艺对于 国内经济发展的意义重大。碳化硅衬底加工环节特点就是“难”碳化硅单晶的加工过程主要分为切片、薄化和抛光。全球碳化硅制造加工技术 和产业尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市场的发展，要充分实现碳化硅 衬底的优异性能，开发高表面质量碳化硅晶片加工技术是关键所在。切片是碳化硅单晶加工过程的第一道工序，切片的性能决定了后续薄化、抛光的加工水平。切片加工易
40、在晶片表面和亚表面产生裂纹，增加晶片的破片率和制造 成本，因此控制晶片表层裂纹损伤，对推动碳化硅器件制造技术的发展具有重要意 义。传统的锯切工具如内圆锯片、金刚石带锯，转弯半径受限，切缝较宽，出片率较 低，不适用于碳化硅晶体切割。目前报道的碳化硅切片加工技术主要包括固结、游 离磨料切片、激光切割、冷分离和电火花切片，其中往复式金刚石固结磨料多线切 割是最常应用于加工碳化硅单晶的方法。碳化硅断裂韧性较低，在薄化过程中易开裂，导致碳化硅晶片的减薄非常困难， 为防止碎片，优化单面研磨技术是未来薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技术发展 趋势。碳化硅切片的薄化主要通过磨削与研磨实现。晶片磨削最具代表性的形
41、式是 自旋转磨削，晶片自旋转的同时，主轴机构带动砂轮旋转，同时砂轮向下进给，进而 实现减薄过程。自旋转磨削虽可有效提高加工效率，但砂轮易随加工时间增加而钝 化，使用寿命短且晶片易产生表面与亚表面损伤。加工缺陷的存在严重制约加工精 度和效率，为了解决这些问题，目前主要的技术包括超声振动辅助磨削和在线电解 修整辅助磨削。薄化工艺中晶片材料去除率和磨料粒径大小、密度、研磨盘转速、研 磨压力等因素密切相关。碳化硅晶片的抛光工艺可分为粗抛和精抛，粗抛为机械抛光，目的在于提高抛 光的加工效率。碳化硅单晶衬底机械抛光的关键研究方向在于优化工艺参数，改善 晶片表面粗糙度，提高材料去除率。精抛为单面抛光，化学机
42、械抛光是应用最为广 泛的抛光技术，通过化学腐蚀和机械磨损协同作用，实现材料表面去除及平坦化。 晶片在抛光液的作用下发生氧化反应，生成的软化层在磨粒机械作用下相对容易被 除去。作为单晶衬底加工的最后一道工艺，化学机械抛光是实现碳化硅衬底全局平 坦化的常用方法，也是保证被加工表面实现超光滑、无缺陷损伤的关键工艺。碳化硅缺陷密度去除工艺壁垒“高”碳化硅单晶生长热场存在温度梯度，导致晶体生长过程中存在原生内应力及由 此诱生的位错、层错等缺陷，其可靠性备受关注。在密闭高温腔体内进行原子有序 排列并完成晶体生长、同时控制微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度 等参数指标是复杂的系统工程，涉及一系列
43、高难度工艺调控，工艺壁垒高。对于微管缺陷，2010 年以前研究工作比较多。现阶段研发和商用的 SiC 衬底微 管密度都得到了有效控制，根据半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展一文数据，现 阶段 SiC 衬底中位错密度的典型值为 103 104 /cm2。当前减少 SiC 晶锭扩展缺陷的最 显著技术是“重复 a 面生长法”，暨准备一个几乎为零位错的籽晶，随后在稳定条件 下在这个高质量的籽晶上进行升华法生长。价格方面，根据 CASA 数据，2020 年 SiC 电力电子器件价格进一步下降，与同类 型 Si 器件价差缩小。从全年来看，上半年价格基本持平，而下半年价格下降，但随 着经济逐步恢复，年底产品供货
44、周期延长，价格稍有上涨。SiC SBD 产品价格略有下 降，降幅较前两年有所收窄。据 Mouser 数据显示，公开报价方面，650V 的 SiC SBD 2020 年底的平均价格是 1.58 元/A，较 2019 年底下降了 13.2%，与 Si 器件的价差在 3.8 倍左右。1200V 的 SiCSBD 的平均价是 3.83 元/A，较 2019 年下降了 8.6%，与 Si 器件的差距在 4.5 倍左右。据 CASA Research 调研，实际成交价低于公开报价。650V 的 SiC SBD 的实际成交价格约 0.7 元/A，1200V 的 SiC SBD 价格约 1.2 元/A，基本
45、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 价格下降幅度达 30%-40%，与 Si 器件价差收窄到 2.5-3 倍之间。 整体来看，国产器件价格低于进口价格 15%左右。据 Mouser 数据显示，公开报价方 面，650V SiC MOSFET 在 2020 年底的平均价格约 1.92 元/A，900V 的器件平均价格 为 2.37 元/A，1200V 器件平均价格为 3.04 元/A，1700V 器件的平均价格为 5.95 元 /A，与去年相比均处于下降趋势。而从实际成交价格来看，650V
46、 的 SiC MOSFET 价格 0.9 元/A，1200V 的 SiC MOSFET 价格 1.4 元/A，较 2019 年下降幅度达 30%-40%，与 Si 器件价也缩小至 2.5-3 倍之间。对于降低成本，从市场上的动态来看，主要有扩大晶圆尺寸、改进碳化硅长晶 工艺及改进切片工艺等三个方向。扩大晶圆尺寸根据 Wolfspeed 最新资料，从 6 寸转向 8 寸晶圆，碳化硅芯片（32mm2）数量有 望从 448 颗增加到 845 颗，增加了 75%。8 英寸 SiC 衬底的基面和螺纹螺钉密度分别 为 684cm-2和 289cm-2。化学机械抛光后，表面质量得到改善，有 66 个缺陷。碳
47、化硅 外延可以实现略高于 1%的厚度和掺杂均匀性。根据 GTAT 公司的预估，相对于 6 寸晶 圆平台，预计 8 寸衬底的引入将使整体碳化硅器件成本降低 20-35%。而且，6 寸 SiC 晶体厚度为 350 微米，而最初投放市场的 8 寸 SiC 衬底厚度为 500 微米。尽管晶体 成本会略微上涨，但是由于更厚的晶体可以切除更多的衬底片，预计也有望进一步 降低器件生产成本。改进碳化硅长晶技术提升长晶速度2021 年 8 月 5 日，住友官网提到了他们利用一种所谓的 MPZ 技术，生长了高质 量、低成本的 SiC 衬底和 SiC 外延片，消除了表面缺陷和基面位错(BPD)，无缺陷区 （DFA）
48、达到 99%，相比 PVT 法，SiC 长晶速度提高了 5 倍左右，相比普通的 LPE 法 速度提升了 200 倍。Cold Split 技术分割碳化硅晶圆，从而使得单个晶圆的芯片数量翻倍2018 年 11 月 12 日，英飞凌科技股份公司收购了位于德累斯顿的初创公司 Siltectra GmbH。该初创公司开发了一种创新技术（Cold Split），可有效处理晶体 材料，同时最大限度地减少材料损耗。与普通锯切割技术相比，Siltectra 开发出了 一种分解晶体材料的新技术，能够将材料损耗降到技术。该技术同样适用于碳 SiC， 并将在其现有的德累斯顿工厂、以及英飞凌（奥地利）菲拉赫工厂实现工
49、业化生产。2.4 衬底及外延成未来弯道超车的关键根据 CASA Research 数据，衬底成本占器件总成本的 47%，外延成本占器件总 成本的 23%，二者合计约 70%，为碳化硅器件成型流程最具投资价值的环节。SiC 产 业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节，以及下游的应用环 节。衬底价值量占比为 47%，为最核心的环节，外延价值量占比为 23%，器件制造（包 括设计+制造+封装）价值量占比约为 20%。相较之下，12 寸硅片的衬底与外延价值 总计约占 11%，因而碳化硅领域衬底及外延更具投资价值。从海内外公司业务布局及专利布局来看，海外公司较国内公司略早，但差距不 大。业务布局方面，Wolfspeed 公司是率先实现碳化硅晶圆商业化的公司目前碳化硅衬底市场以海外厂