碳化矽元件產業剖析

 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. 碳化矽這種第三代半導體材料具備更寬的禁帶寬度, 因此也被稱為寬禁帶半導體材料 (大於 2.3eV).

除了禁帶寬度更寬, 碳化矽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, 碳化矽器件相比於矽基器件的優勢體現在: 阻抗更低, 頻率更高, 能在更高的溫度下運行.  碳化矽材料能夠把器件體積做的越來越小, 能量密度越來越大.

導電型襯底通過在導電型碳化矽襯底上生長碳化矽外延層, 制得碳化矽同質外延片，可進一步制成肖特基二極體, MOSFET, IGBT 等功率器件. 半絕緣型襯底通過在半絕緣型碳化矽襯底上生長氮化鎵外延層, 制得碳化矽基氮化鎵外延片, 可進一步制成微波射頻器件.

優異的性能使得碳化矽材料應用領域廣闊, 目前主流的器件種類為功率器件 (碳化矽基碳化矽) 和射頻器件 (碳化矽基氮化鎵), 可以說需要高壓和高頻器件的應用場景, 都是碳化矽潛在替代的市場. 尤其是對電力轉換需求頻繁.

碳化矽 (SiC) 使功率器件突破了傳統矽基器件性能的上限, 未來具備廣闊的市場空間. 根據 Yole 報告 2019 年全球碳化矽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, CAGR 約 30%.

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, 碳化矽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 行動通訊系統, 新一代有源相控陣雷達等系統的核心射頻器件, 有望替代矽基 LDMOS. 半絕緣型碳化矽襯底 (基板) 需求有望受益.

碳化矽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. 目前產業的參與者主要以兩類海外廠商為主; 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.

襯底 (基板) 環節呈現美國企業科銳全球獨大. 用於制備功率器件的導電型襯底方面, 2018 年美國占有全球碳化矽晶片產量的 70% 以上, 科銳作為行業先驅, 獨自占據一半以上市場份額, 剩餘份額大部分被日本和歐洲的其他碳化矽企業占據.

器件呈多強格局, 海外襯底龍頭和功率龍頭占據主要市場碳化矽器件的市場也主要掌握在科銳, 羅姆兩大全產業鏈覆蓋的龍頭, 以及英飛淩, 意法半導體等功率龍頭手中. 因為碳化矽器件對穩定性要求較高, 並有較長的驗證周期, 國內廠商切入較為緩慢.

碳化矽器件具備足夠多的優勢, 但價格相較於傳統矽基器件仍然偏高. 從襯底角度來看, 受碳化矽生長速度較慢的影響, 一片 6" 的碳化矽晶圓價格在 1000 美元以上, 是同尺寸矽晶圓價格的 20 倍以上. 因此襯底占據了碳化矽器件近一半的成本.