2023年金属新材料行业专题报告.docx

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1、金属新材料报告日期：2023年04月14日碳化硅：第三代半导体之星一一行业专题报告正文目录1耐高温高压高频，碳化硅电气性能优异52工艺难度大幅增加，长晶环节是瓶颈52.1 衬底：晶体生长为最核心工艺环节，切割环节为产能瓶颈62.1.1 晶体生长：条件控制严、长晶速度慢和晶型要求高为主要技术难点62.1.2 晶体加工：切片和薄化为主要技术难点72.2 外延：器件性能决定因素，厚度与掺杂浓度为关键因素83下游应用场景丰富，新能源带来最大增长点93.1 导电型碳化硅器件：新能源汽车为最大终端应用市场103.2 半绝缘型碳化硅器件：5G时代的强大心脏134碳化硅供需缺口持续扩大，海内外厂商加速研发扩产

2、144.1 供给端：海外龙头主导出货量，全球有效产能仍不足144.2 需求端：下游需求不断扩大，百亿市场空间可期155欧美日厂商占据龙头，国产技术革新任重道远175.1 Wolfspeed185.2 英飞凌185.3 意法半导体195.4 罗姆195.5 合盛硅业205.6 天岳先进205.7三安光电216风险提示21图表目录图1:半导体材料性能对比及碳化硅器件特性5图2:碳化硅产业链全景图谱6图3:碳化硅衬底工艺流程6图4：4H-导电型碳化硅单晶衬底8图5:DISCO研发的激光切片技术相较于现有技术的优势8图6:4H-SiC衬底和外延示意图8图7:EPlGRESS公司的热壁式外延设备反应腔结

3、构图8图8:厚度为30Im的4H-SiC外延层SEM截面图像9图9:3、4和6英寸碳化硅外延晶片9图10:碳化硅器件的下游应用领域10图11:两类碳化硅器件的不同终端应用领域10图12: 2021年导电型碳化硅功率器件下游应用占比10图13:2027年导电型碳化硅功率器件下游应用占比预测10图14:碳化硅器件在电动汽车领域的应用11图15: 特斯拉Model 3采用碳化硅MOSFET器件11图16:不同电压平台下，SiC和Si基逆变器的损耗11图17:小鹤G9搭载了国内首个量产的车端800V高压SiC平台 11图18:我国新能源充电桩数量存在较大抉口12图19:2026年碳化硅在汽车各部件的价

4、值占比预测12图20:SiCMOS应用于光伏逆变器可带来更低的损耗和更高的频率12图21:2020-2050年碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率12图22:碳化硅的单位面积导通电阻远小于硅器件13图23：DanfOSS和美国田纳西大学联合开发的12.4kV光伏并网变换器13图24:碳化硅模块的开关和导通损耗均优于传统硅模块13图25:2018-2050年轨道交通中碳化硅功率器件渗透率13图26:不同材料微波射频器件的应用范围对比14图27：碳化硅基氮化像在5G中的应用14图28:2（）18年全球导电型碳化硅衬底市场份额14图29 :2020年全球半绝缘型碳化硅衬底市场份额14图30:碳化硅器件

5、发展历程15图31:2021-2025碳化硅衬底市场空间（亿元）17图32:2021-2025碳化硅器件市场空间（亿元）17图33:全球碳化硅市场竞争格局18图34:Wolfspeed碳化硅MOSFET和裸芯片18图35:英飞凌48V车规级功率SiCMoSFET19图36:意法半导体SiCMOSFET系列产品19图37:罗姆第四代SiCMOSFET和栅极驱动器IC20图38:合盛新材料4H-N型SiC衬底产品20图39:天岳先进导电型碳化硅衬底21图40:三安光电SiCMOSFET应用于车载DC/DC变换器和OBC21表1:不同半导体材料性能对比5表2:三种碳化硅衬底制作方法对比7表3:国内厂

6、商碳化硅衬底产能15表4:碳化硅在新能源车下游应用领域的市场空间16表5:碳化硅在光伏下游应用领域的市场空间预测171耐高温高压高须，碳化硅电气性能优异碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的代表，在禁带宽度、击穿电场、热导率、电子饱 和速率、抗辐射能力等关键参数方面具有显著优势，满足了现代工业对南功率、高电压、高 %(率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智 能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET 已经开始商业化应用。 耐方温。碳化硅的禁带宽度是硅的23倍，在高温下电子不易发生跃迁，可耐受 更高的工作温度，且碳化珪

7、的热导率是珪的4-5倍，使得器件散热更容易，极限 工作温度更高。耐高温特性可以显著提升功率密度，同时降低对散热系统的要求 ,使终端更加轻量和小型化。 耐南压。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，能够耐受更高的电压，更适用于 高电压器件。 耐赤频。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，导致其器件在关断过程中不 存在电流拖尾现象，能有效提高器件的开关频率，实现器件小型化。 低能量损耗。碳化硅相较于硅材料具有极低的导通电阻，导通损耗低；同时，碳化 硅的高禁带宽度大幅减少泄漏电流，功率损耗降低；此外，碳化硅器件在关断过程 中不存在电流拖尾现象，开关损耗低。表1:不同半导体材料性能对比性能指标SiGaAS

8、4H-SiCGaN禁带宽度(eV)1.121.433.233.42击穿电场强度(MVCmT)0.30.43.53.3热导率(WCmTKT)1.50.54.01.3饱和电子漂移速率(1()7CmS-I)1.01.02.02.5电子迁移率(cm2 V-1 S1)150085006502000资料来源：宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路，浙商证券研究,所图1:半导体材料性能对比及碳化硅器件特性资料来源：天科合达招股书，浙商证券研究所2工艺难度大幅增加，长晶环节是瓶颈碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制 造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，

9、然后经过切片、打磨、抛光 得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等 工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die,经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外 壳中组装成模组。2.1 衬底：晶体生长为最核心工艺环节，切割环节为产能瓶颈以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下生长不同尺寸的碳化硅晶锭， 再经过多道加工工序产出碳化硅衬底。核心工艺流程包括： 原料合成：将高纯的硅粉+碳粉按配方混合，在2000。C以上的高温条件下于反应 腔室内进行反应，合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再通过破碎、筛分、清洗 等工序，得到满足要求的高纯碳化硅粉原料。 晶体生

10、长：为碳化硅衬底制造最核心工艺环节，决定了碳化硅衬底的也学性质。目 前晶体生长的主要方法有物理气相传输法(PVT)、高温化学气相沉积法(HT-CVD) 和液相外延(LPE)三种方法，物理气相传输法为市场主流工艺。 晶体加工：通过晶锭加工、晶棒切割、研磨、抛光、清洗等环节，将碳化硅晶棒加 工成衬底。图2：碳化硅产业摊全景图谱图3：碳化硅衬底工艺流程资料来源：天科合达招股书，浙商证券研究所资料来源：浙商证券研究所2.1.1 晶体生长：条件控制严、长晶速度慢和晶型要求高为主要技术难点在晶体生长和晶体加工环节均存在技术难点。晶体生长环节，条件控制产、长晶速度慢 和晶型要求高为主要技术难点。碳化硅晶体的

11、生长温度在2300。C以上，对温度和压力的控 制要求高：此外，碳化硅有250多种同分异构体，其中4HSiC为主流，因此需要严格控制 硅碳比、生长温度梯度及气流气压等参数才能生长出理想晶体：同时PVT法长晶非常缓慢， 速度约为0.3-0.5mmh, 7天才能生长2cm,最高仅能生长3-5cm,因此碳化硅晶锭的直径也 多为4英寸、6英寸，而硅基72h即可生长至2-3m的高度，直径多为6英寸、8英寸，新投 产能则多为12英寸。晶体生长主要有物理气相传输法(PVT),高温化学气相沉积法(HT-CVD)和液相外延 (LPE)三种方法，其中PVT法是现阶段商业化生长SiC衬底的主流方法，技术成熟度 最高工

12、程化应用最广PVT法利用“升华一转移-再生长”原理生长碳化硅晶体。高纯度碳粉与硅粉按特定比例 混合，将形成的高纯度碳化硅微粉与籽晶分别放置生长炉内卅蜗的底部和顶部，温度升高至 2000以上，控制柑蜗下部温度略高于顶部，形成温度差，碳化硅微粉升华成气态Si, SiCz和Si2C后，在籽晶处重新结晶生长形成碳化硅晶锭。PVT法长晶速度慢，需要约7 天才能生长约2cm,且副反应较多，原料的非一致升华导致生成SiC晶体的换陷密度较高OHT-CVD法是指在20002500C下，导入高纯度的硅烷、乙烷或丙烷、氧气等气体，先 在高温区生长腔反应形成碳化硅气态前驱物，再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积成

13、碳化硅晶体。HT-CVD法可持续向炉腔供应气体原料，晶体可持续生长；使用高纯气体为原 料，碳化硅晶体纯度更高，且通过控制原料气流量比，能有效控制掺杂量、晶型等，生成碳 化硅晶体块陷较少。但HT-CVD法的长晶速度较慢，约0.4-0.5mmh,工艺设备昂贵，耗材 成本高，长晶过程中进口和排%易堵塞。LPE法利用“溶解-析出”原理生长碳化硅晶体，在1400/800。下将碳溶解在高温纯珪 溶液中，再从过饱和溶液中析出碳化硅晶体，需添加助熔剂增大C的溶解度。LPE法长晶 温度较低，减少了冷却时由热应力导致的住错，碳化硅晶体位错密度低，结晶质量高，可实 现无微管块陷晶体生长。同时，在助熔液中增加AI可获

14、得高载流子浓度的P型SiC晶体， 且相比PVT法，溶液法长晶速度提高了 5倍左右：但存在碳化硅晶体中金属残留的问题， 且生长的晶体尺寸小，目前仅用于实验室生长。表2：三种碳化硅衬底制作方法对比肠理气相传输法高温化学气相沉积法液相外延法(PVT)(HTeVD)(LPE)原理示意图生长温度优点缺点发展现状2000-2300 C设备成本低且结构简单 耗材成本低扩径难度大 长晶速度慢 然陷密度高现阶段商业化的主流技术UMH*u可持续生长 晶体纯度高 晶体缺陷少长晶速度慢 工艺设备昂贵 耗材成本高已商业化使用1400-1800o C位错密度低 长品速度快结 晶质量高掺杂 可控性强长晶尺寸小金 属杂质残留

15、WMffWA 中处于实验室研究阶段资料来源：宽禁带半导体技术创新联盟，液相法碳化硅晶体生长及其物性研究，马来硅业有限公司官网，浙商 证券研究所整理2.1.2 晶体加工：切片和薄化为主要技术难点晶体加工环节，切片和薄化为主要技术难点碳化硅衬底的质量和精度直接影响外延的 质量及器件的性能，因此晶片表面需光滑、无缺陷、无损伤，粗糙度值在纳米级以下。然而， 由于碳化硅晶体高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定，使得衬底加工非常困难。碳化 硅衬底的加工过程主要分为切片、薄化和抛光。切片是碳化硅单晶加工过程的第一道工序，决定了后续薄化、抛光的加工水平，是整个 环节的最大产能瓶颈所在。现有的碳化硅晶圆切片大多使用金刚石线锯，但碳化硅硬度高， 需要大量的金刚石