碳化硅行业市场分析.docx

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1、碳化硅行业市场分析1、耐高温高压高频，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，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，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。耐高温。碳化硅的禁带宽度是硅的2-3倍，在高温下电子不易发生跃迁，可耐受更高的工作温度,且碳化硅的热导率是硅的45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

2、统的要求，使终端更加轻量和小型化。耐高压。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。耐高频。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。15um4H-SiC外延350um4HTiC衬底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

3、程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，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

4、高纯碳化硅粉原料。晶体生长：为碳化硅衬底制造最核心工艺环节，决定了碳化硅衬底的电学性质。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（1PE）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。2.1.K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，条件控制严、长晶速度慢和晶型要求高为主要技术难点。碳化硅晶体的生长温度在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4H6iC

5、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23m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（HTCVD）和液相外延（1PE）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、工程化应用最广。PVT法利用“升华转移再生长”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

6、籽晶分别放置生长炉内用埸的底部和顶部，温度升高至2000。C以上，控制堪埸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,SiC2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晶体的缺陷密度较高。HTCVD法是指在20002500C下，导入高纯度的硅烷、乙烷或丙烷、氢气等气体，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

7、有效控制掺杂量、晶型等，生成碳化硅晶体缺陷较少。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，长晶过程中进气口和排气口易堵塞。1PE法利用“溶解析出原理生长碳化硅晶体，在1400-1800。C下将碳溶解在高温纯硅溶液中，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。1PE法长晶温度较低，减少了冷却时由热应力导致的位错，碳化硅晶体位错密度低，结晶质量高，可实现无微管缺陷晶体生长。同时，在助熔液中增加A1可获得高载流子浓度的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

8、实验室生长。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。其他交通4%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，需要大量的金刚石线锯和长达数小时的加工时间，且切片过程中多达40%的晶锭以碳化硅粉尘的形式成为

9、废料，单个晶锭生产出的晶圆数量少，造成碳化硅功率器件成本高昂。许多国外企业采用更为先进的激光切割和冷分离技术提高切片效率，如2016年DISCO开发的激光切片技术不用经历研磨过程，仅需10分钟就能切出一片6英寸碳化硅晶圆，生产效率提升3-5倍。碳化硅切片的薄化主要通过磨削与研磨实现，但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。目前多使用自旋转磨削，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，实现减薄。自旋转磨削虽可有效提高加工效率，但砂轮经长时间使用易钝化，存在使用寿命短且晶片易产生表面与亚表面损伤的问题，未来将进一步优化单面研磨技术以实现大尺寸碳化硅晶

10、片的加工。2.2、外延：器件性能决定因素，厚度与掺杂浓度为关键因素与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，须在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层微米级新单晶，新单晶和衬底可以是相同材料，也可以是不同材料，称为同质外延或异质外延。外延层可以消除晶体生长和加工时引入的表面或亚表面缺陷，使晶格排列整齐，表面形貌更优，外延的质量对最终器件的性能起关键影响作用。碳化硅外延的制作方法包括：化学气相淀积(CVD)、分子束外延(MBE),液相外延法(1PE)、脉冲激光淀积和升华法(P1D)等，其中CVD法是最为普及的4H-SiC外延方法，其优势在于可以有效控制生长

11、过程中气体源流量、反应室温度及压力，精准控制外延层的厚度、掺杂浓度以及掺杂类型，工艺可控性强。早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，受多型体混合影响，外延效果不理想。随后发展出台阶控制外延法，在不同偏角下斜切碳化硅衬底，形成高密度外延台阶，在实现低温生长的同时稳定晶型的控制。随后引入TCS,突破台阶控制外延法的限制，将生长速率大幅提升至传统方法的10倍以上。目前常用SiH4、CH4、C2H4作为反应前驱气体，N2和TMA作为杂质源,使用4。斜切的4H-SiC衬底在1500-1650。C下生长外延。外延参数主要取决于器件设计，其中厚度和掺杂浓度为外延片关键参数。器件电压越高，对外延厚度和掺杂浓度

12、均匀性要求越高，生产难度越大。在600V低压下，外延厚度需达6um左右，在1200170OV中压下，外延厚度需达IO-15um左右，而在IOkV的高压下，外延厚度需达IOOUm以上。在中、低压应用领域，碳化硅外延的技术相对比较成熟，外延片的厚度和掺杂浓度等参数较优，基本可以满足中低压的SBD、JBS.MOS等器件的需求。而高压领域，外延片需要攻克掺杂浓度均匀性和控制缺陷等问题。图15:特斯拉MOdeI3采用碳化硅MoSFET器件3、下游应用场景丰富，新能源带来最大增长点按照电学性能的不同，碳化硅材料制成的器件分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型碳化硅射频器件，两种类型碳化硅器件的终端应用领域不同

13、。导电型碳化硅功率器件是通过在低电阻率的导电型衬底上生长碳化硅外延层后进一步加工制成，包括造肖特基二极管、MOSFETIGBT等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、数据中心、充电等。半绝缘型碳化硅基射频器件是通过在高电阻率的半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化钱外延层后进一步加工制成，包括HEMT等氮化线射频器件，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。3.1、 导电型碳化硅器件：新能源汽车为最大终端应用市场导电型碳化硅器件主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、数据中心、充电等领域。根据统计数据，2023年汽车市场导电型碳化硅功率器件规模达6.85亿美元，占比

14、62.8%,能源、工业和交通应用市场占比分别为14.1%,11.6%和7.2%。预计到2027年汽车市场导电型碳化硅功率器件规模达49.86亿美元，占比79.2%,能源、工业和交通应用市场占比分别降至7.3%,8.7%和3.0%。碳化硅在电动汽车领域主要用于：主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载DC/DC)和非车载充电桩。逆变器是一种将直流信号转化为高压交流电的装置，由于输出电压和输出频率可以任意控制,所以被广泛用于控制交流电机和无刷电机的转速，是新能源发电、不间断电源、电动汽车、轨道交通、白色家电、电力配送等领域重要的功率转换装置。碳化硅MOSFET在电动汽车主驱逆变器中相

15、比SMGBT具有明显优势：碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率转换效率更高，电动汽车续航距离可延长5-10%,即在同样续航里程的情况下可削减电池容量，降低电池成本；碳化硅MOSFET的高频特性可使逆变器线圈、电容小型化，电驱尺寸可大幅减少，可听噪声的降低能减少电机铁损；碳化硅MOSFET可承受更高电压，在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来降低电流强度，从而使得束线轻量化，节省安装空间。虽然当前碳化硅器件单车价格高于Si-IGBT,但上述优势可降低整车系统成本。2018年特斯拉在Mode13中首次将SiIGBT替换为SiC器件,汽车逆变器效率大幅提升，当前越来越多的车厂如比亚迪、蔚来、小鹏

16、、保时捷等正在转向在电驱中使用碳化硅MOSFET器件。图16:不同电压平台下，SiC和Si基逆变器的损耗车载充电系统(OBC)可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行充电，实现为电动汽车的高压直流电池组充电的功能，是决定充电功率和效率的关键器件。碳化硅Me)SFET相比Si基器件能提升约50%的系统功率密度，从而能减少OBC的重量和体积，并节省磁感器件和驱动器件成本。电源转换系统(DC/DC)是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电，主要给车内动力转向、水泵、车灯、空调等低压用电系统供电。未来随着电动汽车电池电压升至800V高压平台，120OV的SiCMOSFET有望被广泛应用于DC-DC转换器中。高压充电桩能有效解决充电速度和里程焦虑的问题，带来对SiC器件需求的增加。当前我国的车桩比难以匹配需求，车载充电及充电桩效率仍待提高，