碳化硅行業(yè)市場分析

下一代功率器件關鍵技術：碳化硅

近年來，隨著5G、新能源等高頻、大功率射頻及電力電子需求的快

速增長，硅基半導體器件的物理極限瓶頸逐漸凸顯，如何在提升功率

的同時限制體積、發(fā)熱和成本的快速膨脹成為了半導體產(chǎn)業(yè)內(nèi)重點關

注的問題，以碳化硅為首的第三代半導體材料在這一趨勢下逐漸從科

研走向產(chǎn)業(yè)化。與硅基半導體材料相比，以碳化硅為代表的第三代半

導體材料具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導率、高抗輻

射能力等特點，適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。具體

優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）能量損耗低。碳化硅模塊的開關損耗和導通損耗

顯著低于同等IGBT模塊，且隨著開關頻率的提高，與IGBT模塊的

損耗差越大，碳化硅模塊在降低損耗的同時可以實現(xiàn)高速開關，有助

于降低電池用量，提高續(xù)航里程，解決新能源汽車痛點；

（2）更小的封裝尺寸。碳化硅器件具備更小的能量損耗，能夠提供

較高的電流密度。在相同功率等級下，碳化硅功率模塊的體積顯著小

于硅基模塊，有助于提升系統(tǒng)的功率密度；（3）實現(xiàn)高頻開關。碳

化硅材料的電子飽和漂移速率是硅基的2倍，有助于提升器件的工作

頻率；高臨界擊穿電場的特性使其能夠?qū)OSFET帶入高壓領域,

克服IGBT在開關過程中的拖尾電流問題,降低開關損耗和整車能耗,

減少無源器件如電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體積和重量；（4）

耐高溫、散熱能力強。碳化硅的禁帶寬度、熱導率約是硅基的3倍,

可承受溫度更高，高熱導率也將帶來功率密度的提升和熱量的更易釋

放，冷卻部件可小型化，有利于系統(tǒng)的小型化和輕量化。

這些優(yōu)勢有利于電源的高效率化，并且通過高頻驅(qū)動實現(xiàn)電感等無源

器件的小型化、低噪化，可廣泛應用于空調(diào)、電源、光伏發(fā)電系統(tǒng)中

的功率調(diào)節(jié)器、電動汽車的快速充電器等E勺功率因數(shù)校止電路（PFC

電路）和整流橋電路中。

圖2:碳化硅MOSFET和模組具有高頻、高壓的優(yōu)勢

而實際上，碳化硅相比硅帶來的最大變化我們可以總結為“舊結構+新

材料”，亦即通過把材料更換為碳化硅解決過去硅基MOSFET在高電

壓場景下的瓶頸，讓高頻高速的MOSFET得以在高壓場景下充分發(fā)

揮開關效率高的優(yōu)勢。一般而言，硅基材料中越是高耐壓器件，單位

面積的導通電阻也越大（以耐壓值的約2?2.5次方的比例增加），因

此過去600V以上的電壓中主要采用IGBT器件，通過電導率調(diào)制向

漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導通電阻比MOSFET要

小，但是同時由于少數(shù)載流子的積聚，在開關關閉時會產(chǎn)生尾電流,

從而造成極大的開關損耗。

而碳化硅器件漂移層的阻抗比硅基器件低，不需要進行電導率調(diào)制就

能夠以MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低阻抗，因而碳化硅MOSFET原理

上在開關過程中不會產(chǎn)生拖尾尾電流，可高速運行且開關損耗低，能

夠在IGBT不能工作的高頻、高溫條件下驅(qū)動，可實現(xiàn)散熱部件的小

型化。

大功率+高頻+低損耗：難以拒絕的效率吸引力

在整個能源結構升級的過程中，無論是發(fā)電端的光伏、風電，輸電端

的高壓柔直，用電端的新能源車、充電樁、白電、工控，對于電壓和

能源轉(zhuǎn)換效率的要求都在不斷提升，同時在成本和安全約束下也更為

看重系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，因此有著更低開關損耗、更高可靠

度、更輕重量、更小體積以及更為耐高溫的碳化硅器件越來越受到下

游環(huán)節(jié)的關注，尤其是在中壓范圍的光伏、風電、新能源車、充電樁、

服務器UPS電源、工控電源、白電，近年來已陸續(xù)開始嘗試使用碳

化硅器件替代或部分替代原有的硅基IGBTo

新能源車是未來碳化硅功率器件的主要驅(qū)動力。作為電力電子轉(zhuǎn)換器

件，碳化硅器件在新能源汽車產(chǎn)業(yè)存在五個主要應用場景，包括電機

控制器（電驅(qū)）、車載充電機OBC、DC/DC變換器、空調(diào)系統(tǒng)以及

充電樁。對于新能源車而言，碳化硅器件要比硅基器件有著更低的導

通損耗、更高的工作頻率和更高的工作電壓，因此其可提高能源轉(zhuǎn)換

效率、增加續(xù)航里程、提升整體功率、降低車身重量和綜合成本，考

慮到未來電動車需要更長的行駛里程、更短的充電時間和更高的電池

容量，在車用半導體中，碳化硅將會是未來新能源車功率器件升級中

非常重要的趨勢。目前，OBC采用的碳化硅MOSFET主流規(guī)格有

1200V/40mQ,1200V/80mQ以及650V/45mfi.650V/60mQ；DC/DC

采用的碳化硅MOSFET主流規(guī)格為1200V/160mQ電控用碳化硅

MOSFET主流規(guī)格為1200V/15mQo

圖7：負載范圍內(nèi)碳化硅及硅基IGBT逆變器損耗對比

200

0

0%20%40%60%80%100%120%

%Load?■IGBT?'SiC

注：fsw=16kHz,100%load

以主驅(qū)為例，碳化硅解決方案可以在更低損耗情況下獲得更高逆變器

效率。碳化硅在整個負載范圍內(nèi)效率提高1.4%以上，更低損耗意味

著更小的冷卻系統(tǒng)和更長電池續(xù)航時間。相比硅基IGBT,碳化硅電

控系統(tǒng)體積更小、頻率更高、開關損耗更低，可以使電驅(qū)系統(tǒng)在高壓

高溫下保持高速穩(wěn)定運行。

簡單而言，碳化硅MOSFET方案可顯著節(jié)省電動汽車成本：（1）

節(jié)省電池成本：在EV平均工作環(huán)境下，碳化硅逆變器的效率比IGBT

逆變器高3.4%（負載15%）。與基于硅基IGBT的85kWh電池電

動汽車相比，碳化桂版本僅需要82.1kWh,按照每千瓦時150美元

的電池成本，ST測算案例下搭載碳化硅逆變器的電池成本節(jié)省約

435美元。（2）散熱器：散熱器的大小必須根據(jù)最大工作條件下的

功率耗散而定。ST測算案例下峰值負載時的逆變器耗散（250Arms）：

與IGBT版本相比，基于碳化硅的逆變器只需耗散61%的熱量，碳化

硅MOSFET允許體積更小、更低成本的散熱器。

對于新能源車而言，一方面是電池成本的節(jié)?。ㄩL續(xù)航），一方面也

是800V快充（快速充電）的需求，共同催生了對碳化硅器件的更換

需求。快充技術的核心在于提高整車充電功率，也就需要提高整車充

電功率，基于功率=電流*電壓的公式，提升功率只有加大充電電流或

提高充電電壓兩種方式，而充電電流加大意味著更粗更重的線束、更

多的發(fā)熱量以及更多附屬設備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設計

自由度，這直接推動了400V電壓平臺向800V電壓平臺轉(zhuǎn)換。

而碳化硅MOSFET在800V高壓電驅(qū)系統(tǒng)應用中具備幾乎無可替代

的優(yōu)勢，最核心的原因是電壓升高后硅基IGBT的導通損耗、開關損

耗都有顯著上升，成本升+效率降將使得800V的實際經(jīng)濟性大為降

低，因此在800V電壓平臺中，企業(yè)更傾向選擇高頻低損耗的碳化硅

MOSFET方案，因此目前800V電控乃至配套的OBC大部分已選用

或規(guī)劃采用碳化硅MOSFET器件。平臺級別的規(guī)劃有現(xiàn)代E-GMP、

通用奧特能（Ultium）■皮卡領域、保時捷PPE、路特斯EPA,除保

時捷PPE平臺車型未明確搭載碳化硅MOSFET外（首款車型為硅

基IGBT),其他車企平臺均采用碳化硅MOSFET方案。800V平臺

主要有長城沙龍品牌機甲龍、北汽極狐SHI版、理想汽車S01和W01、

小鵬G9、寶馬NK1、長安阿維塔E11均表示將搭載800V平臺，此

外比亞迪、嵐圖、廣汽埃安、奔馳、零跑、一汽紅旗、大眾等也表示

800V技術在研。

■逆變器OBCBDCDC

以哪吒汽車發(fā)布的浩智800V碳化硅高性能電驅(qū)系統(tǒng)為例，采用碳化

硅半導體器件，不僅能在更高溫度下穩(wěn)定運行，適用于高電壓、高頻

率場景，還能以更低的損耗獲得更高的運行能力，可實現(xiàn)超過20KHZ

的高頻運行。800V碳化硅高性能電驅(qū)系統(tǒng)搭載的碳化硅電控可以實

現(xiàn)400V碳化硅功率器件損耗降低30%-50%,800V碳化硅功率器件

損耗降低50%-70%。碳化硅應用帶來6個方面的優(yōu)勢：(1)控制

器溫度降低5-8℃,電機本體溫度降低8-12℃,系統(tǒng)運行更可靠；(2)

CLTC綜合效率提升3%-5%,整車續(xù)航里程增加高達8%；(3)驅(qū)

動系統(tǒng)噪聲降低5-8dB(A)：(4)支持800V快充，充電速度更快，

可實現(xiàn)5min充電200km續(xù)航；（5）電池放電電流降低，有利于電

池熱管理；（6）控制器功率密度達到50kW/L,體積更小。

基于電池成本節(jié)約和800V平臺帶來的優(yōu)勢，未來車用碳化硅市場規(guī)

模有望快速擴大，行業(yè)成長機遇顯著。據(jù)丫。國2021年全球碳化硅

市場規(guī)模約為6.85億美元，到2026年有望成長至38.10億美元，

2021~2026年間復合增速達40.96%。其中，逆變器是車用碳化硅的

主要應用領域，2021-2027年間占車用碳化硅市場規(guī)模約為

90%~92%,這意味著確定1、什么車型要用碳化硅；2、什么公司是

車用逆變器用碳化桂主力供應商這兩個問題即可把握最為關鍵的成

長機遇。

當前而言，車用碳化硅的滲透已不再是產(chǎn)業(yè)的遠期規(guī)劃，而是已進入

了正在進行時。據(jù)行家說Research,2022年1-9月全球搭載碳化硅

主驅(qū)的車型銷量合計超過了130萬臺，在全球總銷量681萬臺中占

比接近20%o類似的，據(jù)NE時代，2022年我國200kw以上高功率

新能源車電驅(qū)出貨量達到53萬套，占總體出貨量比重接近10%,同

時受特斯拉、蔚來、比亞迪、小鵬新車的推動，搭載碳化硅功率模塊

的電控出貨量突破50萬套，占比達到9.4%,總體低于2022年前三

季度全球碳化硅車型滲透率.，未來我國碳化硅市場增長有望快速提升。

除了新能源車以外，未來光伏、風電發(fā)電將會是全球新能源發(fā)電端發(fā)

展的主要方向，整體新增裝機量持續(xù)提升，而逆變器是光伏不可或缺

的重要組成部分，是光伏發(fā)電能否有效、快速滲透的關鍵之一。高效、

高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢，據(jù)天科

合達招股說明書，目前在光伏發(fā)電應用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變

器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使

用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結合的功率模

塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)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(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增

加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。碳化硅功率器件,

為實現(xiàn)光伏逆變器的“高轉(zhuǎn)換效率”和“低能耗”提供了所需的低反向恢

復和快速開關特性，對提升光伏逆變器功率密度、進一步降低度電成

本至關重要。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預計會逐

漸替代硅基器件。

圖15：2022年前二季度全球碳化硅車型銷售以特斯拉為主

目前，集中式逆變器暫無需采用碳化硅器件，而分布式光伏逆變器中

有機會使用碳化硅二極管和MOSFET,主流組串式逆變器則已經(jīng)開

始采用碳化硅二極管+硅基IGBT的混合模塊方案，據(jù)Trendforce,

陽光電源、華為等廠商均采用此方案；微逆Boost升壓電路會使用碳

化硅二極管，昱能科技正在采用泰科天潤的產(chǎn)品。

此外，儲能、充電樁、軌道交通、智能電網(wǎng)等也將大規(guī)模應用功率器

件。整體而言，隨著器件的小型化與對效率要求提升，采用化合物半

導體制成的電力電子器件可覆蓋大功率、高頻與全控型領域，其中碳

化硅的出現(xiàn)符合未來能源效率提升的趨勢。以碳化硅制成的電力電子

器件，工作頻率、效率及耐溫的提升使得功率轉(zhuǎn)換（即整流或者逆變）

模塊中對電容電感等被動元件以及散熱片的要求大大降低，將優(yōu)化整

個工作模塊。未來，在PFC電源、光伏、純電動及混合動力汽車、

不間斷電源（UPS）、電機驅(qū)動器、風能發(fā)電以及鐵路運輸?shù)阮I域，

碳化硅的應用面會不斷鋪開。

在多種應用的驅(qū)動下，全球碳化硅市場規(guī)?？焖偬嵘?，據(jù)Yole,2022

年全球碳化硅市場規(guī)模或?qū)⑦_15.34億美元，同比增長40.72%,預

計到2027年市場規(guī)?？蛇_62.97億美元，2021-2027年復合增速超

30%o其中，分領域而言，大部分市場規(guī)模由新能源車貢獻；增速方

面，風電、新能源車相對較快。

產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)拆解：襯底先行，晶圓決勝

碳化硅器件生產(chǎn)過程跟傳統(tǒng)的硅基器件基本一?致，主要分為襯底制備、

外延層生長、晶圓制造以及封裝測試四個環(huán)節(jié)，其中：襯底：高純度

的碳粉和硅粉1:1混合制成碳化硅粉，通過單晶生長成為碳化硅晶錠，

然后對其進行切割、打磨、拋光后得到透明的碳化硅襯底，其厚度一

般為350tjm：外延：碳化硅襯底的表面特性不足以支撐制造碳化硅

器件，需要采用氣相沉積法在其表面再生長一層厚度為5-30pm的碳

化硅，成為碳化硅外延；晶圓制造：通過涂膠、顯影、光刻、減薄、

退火、摻雜、刻蝕、氧化等前道工藝實現(xiàn)玻化硅器件的結構與功能;

封裝：將晶圓進行檢測、減薄并進行封裝，完成裸芯片的電氣連接和

外殼保護后得到分立器件或者功率模塊，并在封裝完成后出廠前對每

顆器件進行測試。

■橫塊分立MOSFET■分立二極管

若從成本占比角度去看，碳化硅總體價格高昂的主要原因在于：1、

襯底價格較貴，在總體晶圓成本中占比可達30%,參考自有襯底的

Wolfspeed和部分襯底外采的STM,襯底價格在400-600美元/片;

2、前段工藝（晶圓制造）良率損失較大；3、此外，外延良率損失和

效率同樣對碳化硅總體價格帶來了一定影響。因此，產(chǎn)業(yè)鏈對于碳化

硅降本提質(zhì)的關鍵主要落于襯底制備的效率和良率（另一個角度而言

擴大規(guī)模也是降價的一個方向），以及前段工藝的效率和良率（效率

包括平面與溝槽等器件結構問題）。

碳化硅襯底：效率與產(chǎn)能是降本關鍵

基于上文，我們可以較為直觀地發(fā)現(xiàn)制約碳化硅應用落地的主要原因

是襯底的總體價格較高，導致碳化硅器件的價格相比硅基器件往往高

出數(shù)倍。由于物理的特性，碳化硅材料擁有很高的硬度，目前僅次于

金剛石，因此在生產(chǎn)上勢必要在高溫與高壓的條件下才能生產(chǎn)，一般

而言，需要在250CTC以上高溫（硅晶僅需在1500℃）。目前制備碳

化硅單晶的方法有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫化學氣相沉積法

（HT-CVD）和液相法（LPE）o物理氣相傳輸法（PVT）是較為的

碳化硅晶棒生長方法，其原理是在超過2500℃高溫下將碳粉和硅粉

升華分解成為硅基原子、硅基2C分子和碳化硅2分子等氣相物質(zhì)，

在溫度梯度的驅(qū)動下，這些氣相物質(zhì)將被輸運到溫度較低的碳化硅籽

晶上形成4H型碳化硅晶體，通過控制PVT的溫場、氣流等工藝參

數(shù)可以生長特定的4H-碳化硅晶型。

以PVT法為例，碳化硅晶體制備面臨以下困難：1、溫場控制困難、

生產(chǎn)速度緩慢：以目前的主流制備方法物理氣相傳輸法（PVT）為例,

碳化硅晶棒需要在2500℃高溫下進行生產(chǎn)，而硅晶只需1500℃,因

此需要特殊的單晶爐，且在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長溫度，控制難度

極大。碳化硅晶棒厚度每小時生長速度視尺寸大小約為0.2~1mm/小

時，而硅晶棒可達每小時1~10mm/小時；生產(chǎn)周期方面，碳化硅晶

棒約需要7至10天，長度約2cm,產(chǎn)出效率相比硅晶棒顯著較慢,

較低的生產(chǎn)效率是碳化硅襯底供不應求、，介格高昂的核心原因；

2、良品參數(shù)要求高，黑匣子良率難以及時控制：碳化硅晶片的核心

參數(shù)包括微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等，在

密閉高溫腔體內(nèi)進行原子有序排列并完成晶體生長、同時控制參數(shù)指

標是復雜的系統(tǒng)工程。以多型為例，碳化硅存在200多種晶體結構

類型，其中六方結構的4H型（4H-碳化硅）等少數(shù)幾種晶體結構的

單晶型碳化硅才是所需的半導體材料，在晶體生長過程中需要精確控

制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則

容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導致產(chǎn)出的晶體不合格；而在石墨地煙的黑盒

子中無法即時觀察晶體生長狀況，需要非常精確的熱場控制、材料匹

配及經(jīng)驗累積。

圖26:Wolfspeed仍然領先，但后來者己形成挑戰(zhàn)

STM■山東天岳■其他

3、晶體擴徑難度大：氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴徑技術難

度極大，隨著晶體尺寸的擴大，其生長難度工藝呈幾何級增長。這導

致目前碳化硅晶圓主要是4時與6口寸，而用于功率器件的硅晶圓以8

時為主，這意味著碳化硅單晶片所產(chǎn)芯片數(shù)量較少、碳化硅芯片制造

成本較高。

此外，除了碳化硅晶體生長外，后端工藝流程仍面臨較大困難：切割

難度大：碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術難度大,

工藝水平的提高需要長期的研發(fā)積累，也需要上游設備商特殊設備的

配套開發(fā)。目前碳化硅切片加工技術主要包括固結、游離磨料切片，

激光切割、冷分離和電火花切片，其中往復式金剛石固結磨料多線切

割是最常應用于加工碳化硅單晶的方法，轉(zhuǎn)彎半徑受限，切縫較寬，

出片率較低，不適用于碳化硅晶體切割。磨料切片的切縫寬度一般為

180?250pm,亦即不考慮研磨，僅切割損耗便接近襯底成片厚度

(350pm)的50%~70%,是導致晶錠出片數(shù)較低的原因之一。

研磨拋損耗大：碳化硅性質(zhì)偏硬、脆，斷裂韌性較低，在研磨拋過程

中易開裂或留下?lián)p傷，這要求在切割襯底的時候需要預留更多的研磨

拋損耗，這進一步降低了晶錠的出片率，同時也影響了整體的生產(chǎn)良

率。目前較為主流的研磨方式為自旋轉(zhuǎn)磨削，晶片自旋轉(zhuǎn)的同時，主

軸機構帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，同時砂輪向下進給，進而實現(xiàn)研磨過程。自旋

轉(zhuǎn)磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪易隨加工時間增加而鈍化，使

用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷。而碳化硅襯底的拋光工藝

可分為粗拋和精拋，粗拋為機械拋光，主要用于去除研磨后襯底表面

的損傷、進行平坦化處理，目前較為主流的是使用化學機械拋光＜外

延工藝效率低：碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫

下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃,

因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

基于以上技術難點，高成本、缺陷密度（良率）、晶圓尺寸和晶圓供

給是襯底生產(chǎn)的核心壁壘，而碳化硅襯底黑匣子的生長環(huán)境對企業(yè)工

藝技術的積累和配套設備的研發(fā)能力將成為企業(yè)技術壁壘的重要構

成。由于進入襯底行業(yè)需要長期的技術積累和產(chǎn)線適配，而國際碳化

硅龍頭企業(yè)起步較早，產(chǎn)業(yè)發(fā)展已較為成熟，目前碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)格

局呈現(xiàn)美國全球獨大的特點。導電型碳化硅襯底市場的主要供應商有

美國Wolfspeed、美國II-VI等，據(jù)Yole,預計2021年Wolfspeed

的導電型碳化硅襯底占據(jù)整個市場48.65%的份額，其次為II-VI、

SiCrystal（Rohm）,三者合計占據(jù)高達80%的市場份額，我國企業(yè)

如天科合達、山東天岳分別占8.70%、0.13%,整體占比仍然較低。

圖30:2021~2027E碳化硅襯底價格下降趨勢及預測（美元/片）

?4時6時?8時

若我們回顧過去數(shù)據(jù)，實際上過去市場認為牢不可破的Wolfspeed

主導的格局已然開始松動，其市場份額在2020年仍超60%,而天科

合達當年僅占6.27%,隨著全球新能源車需求爆發(fā)帶來的供不應求和

我國碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的快速成長，Wolfspeed市場份額快速下降，而

SKsiltron,天科合達等后發(fā)者的市場份額也實現(xiàn)了顯著提升。當前，

我國主要碳化硅襯底企業(yè)已進入快速追趕階段，雖然工藝、良率、參

數(shù)控制等方面相比海外廠商仍有一定差距，但隨著我國新能源市場和

碳化硅襯底上下游產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，未來我國碳化硅襯底核心企業(yè)

有望加速實現(xiàn)規(guī)模一技術一規(guī)模的止循環(huán)。

除了產(chǎn)出效率和缺陷控制外，擴徑是碳化硅襯底下一個關鍵技術競爭

點。目前導電型碳化硅襯底以6時為主，8時襯底處于逐步商業(yè)化的

階段，尺寸的擴大對于碳化硅而言降本意義顯著。8時理論產(chǎn)出效率

是6時的1.8~1.9倍（面積為1.78倍），據(jù)Wolfspeed,32mm2的

裸芯片可切割數(shù)量可以從6時的448顆提升至8口寸的845顆；分別

假設良率為80%、60%,有效產(chǎn)出顆數(shù)分別為358、507顆，若假設

單車使用同樣規(guī)格的芯片54顆（48顆主逆+6顆OBC）,則一片晶

圓理論可供6.6、9.4臺車，效率提升顯著。由于國內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)起步

較晚，從以往碳化硅襯底量產(chǎn)節(jié)點來看，國際上4時碳化硅襯底量產(chǎn)

時間比國內(nèi)早10年左右，而6時拉近了差距，量產(chǎn)時間差大約在7

年左右。不過隨著產(chǎn)學研結合的模式鋪開，以及相關產(chǎn)業(yè)的投資熱潮,

有望帶動國內(nèi)碳化桂襯底加速追趕國際領先水平。

Cree（WolfSpeed）早在2015年宣布成功研發(fā)8口寸碳化硅襯底；

2019年首批樣品制備;2022年4月啟用全球首個8時碳化硅晶圓廠,

預計年底量產(chǎn)發(fā)貨，2024年達產(chǎn)。意法半導體（ST）于2021年6

月瑞典北雪平工廠成功制造出世界首批量產(chǎn)8時碳化硅晶圓片。將投

資數(shù)億歐元，在意大利的卡塔尼亞建立新基地，生產(chǎn)Norstel研發(fā)的

8口寸碳化硅襯底，目標是到2024年實現(xiàn)40%碳化硅襯底的自主供應。

8口寸碳化硅量產(chǎn)加速，節(jié)點提前至2023年。II-VI半導體于2015年7

月展示了8口寸導電型碳化硅襯底，2019年推出8口寸半絕緣碳化硅襯

底，2021年4月，II-VI表示，未來5年內(nèi)，將碳化硅襯底的生產(chǎn)能

力提高5至10倍，8口寸碳化硅量產(chǎn)時間預計為2024年。羅姆作為

最早一批展示8時碳化硅襯底的廠商之一，將原定于2025年量產(chǎn)節(jié)

點，提前至2023年。

國內(nèi)企業(yè)進度：爍科晶體于2022年3月成功研制8口寸碳化硅晶體，

中科院物理所2022年4月成功研制出了單一4H晶型的8口寸碳化硅

晶體，其晶體直徑達210mm,晶坯厚度接近19.6mm。此外，還加

工出了厚度約2mm的8時碳化硅晶片。晶盛機電2022年8月成功

研發(fā)出8口寸導電型碳化硅晶體，此次研發(fā)成功的8時碳化硅晶體，厚

度25mm,直徑214mm。天岳先進于2022年9月宣布8時?碳化硅

襯底研發(fā)成功，全流程技術自主可控。南砂晶圓聯(lián)合山東大學晶體材

料國家重點實驗室于2022年9月攻關完成了8時4H■碳化硅晶型襯

底的制備。同光半導體2022年10月成功研發(fā)8時碳化硅襯底，預

計2023年小規(guī)模量產(chǎn)。天科合達于2022年11月發(fā)布了8口寸導電型

4H晶型碳化硅，微管密度V0.1/cm2,位錯密度EPDV

4000/cm2,TSD能達到100/cm2以下。

在市場需求快速爆發(fā)的背景下，國內(nèi)企業(yè)一方面加快對技術差距的追

趕，另一方面也在積極投入大量資源進行產(chǎn)線的建設來滿足市場需求

和提供技術迭代的產(chǎn)業(yè)土壤，如天科合達、山東天岳等頭部廠商持續(xù)

加大投入進行擴產(chǎn)。據(jù)Trendforce,2022年我國碳化硅襯底（N型

+HP硅基，折合61寸）年產(chǎn)能可達43.2萬片/年，到2026年有望提

升至265萬片/年，CAGR達57%。

圖33:2026年我國碳化硅襯底產(chǎn)能或?qū)⑦_265萬片/年（萬片/年）

?—我國碳化硅襯底產(chǎn)能（折合6時）YoY（右地）

碳化硅晶圓：技術、客戶與產(chǎn)能構筑的長效壁壘

襯底以外，晶圓工藝難度高、良率低是碳化硅器件價格高昂的另一個

重要原因。相對于硅器件，碳化硅芯片制造在工藝上有著更加嚴苛的

要求。首先需要通過高能注入并采用高溫退火工藝來解決晶格擴散的

難題；其次是要通過高溫氧化工藝提高氧化速率，抑制碳生物量；而

碳化硅透明、硬、脆的特質(zhì)，也大大增加了設備傳送、取片、千刻、

挖槽、甩干、減薄等環(huán)節(jié)的工藝難度，從而導致碳化硅芯片長期處于

生產(chǎn)效率低、碎片率高、難以量產(chǎn)的局面。除了技術門檻外，若需要

把一條150mm的硅制造生產(chǎn)線轉(zhuǎn)化為碳化硅生產(chǎn)線，費用大約為

2000萬美元，資金投入也是碳化硅晶圓建設的難點之一。

目前，除了接近碳化硅晶圓制造中的工藝問題外，設計和工藝高度耦

合的器件結構——平面與溝槽，也同樣是產(chǎn)業(yè)內(nèi)重點關注的方向。由

于平面柵碳化硅MOSFET結構的溝道形成于晶面上溝道遷移率較低,

同時結構還存在FET區(qū)域，導致器件的導通電阻很難得到進一步降

低，為此，業(yè)界開發(fā)了溝槽型碳化硅MOSFET結構(TMOSFET)。溝

槽MOSFET是通過在溝槽側(cè)壁形成溝道，這樣不僅可以提高溝道遷

移率，還能消除JFET區(qū)域，實現(xiàn)降低器件導通電阻的目的。

圖36:相比襯底，器件的競爭更為激烈(百萬美元)

■STM英飛凌■WolfspeedRohm■安森美

■三菱電機富士電機?GeneSiC■東芝?賽米控

■UnitedSiC丹伊斯■貨忠■耳他

然而，溝槽柵工藝不僅對工藝實現(xiàn)要求非常高，在可靠性方面也存在

一定的風險。首先，由于溝槽刻蝕后表面粗精度和角度的限制使得溝

槽柵的柵氧質(zhì)量存在風險；其次，由于碳化硅的各向異性，溝槽側(cè)壁

的氧化層厚度和溝槽底部的氧化層厚虛不同，因此必須采用特珠的結

構和工藝來避免溝槽底部特別是拐角部分的擊穿，這也增加了溝槽柵

氧可靠性的不確定性；最后，溝槽MOSFET的結構使得溝槽柵氧的

電場強度要高于平面型。目前，業(yè)界正在努力解決溝槽型碳化硅

MOSFET刻蝕之后側(cè)溝道的表面問題，需要通過更好的設備和優(yōu)化

深溝槽刻蝕工藝，以有效降低表面粗穩(wěn)度，消除刻蝕形貌中的微溝槽

效應。由于碳化硅襯底通常非常堅硬，想要獲得均勻、光滑的蝕刻表

面，對工藝難度和控制的要求非常高。

類似襯底，一方面是高企的技術壁壘、客戶壁壘和專利壁壘，一方面

是快速爆發(fā)的碳化珪市場需求，碳化硅器件市場規(guī)模在快速擴大的同

時競爭也非常激烈。據(jù)丫。?,2019年全球碳化硅器件主要供應商的

收入合計規(guī)模為6.53億美元，預計至2021年可達11.91億美元。

其中特斯拉的核心供應商STM穩(wěn)守龍一地位，整體市場份額達

37.8%o在2022年四季度業(yè)績說明會上，STM表示2022年公司已

實現(xiàn)7億美元的碳化硅收入，并提到目前公司有115個碳化硅項目，

分布在80個客戶，其中汽車客戶占比約為60%,預計2023年收入

達到10億美元量級，2019~2023E復合增速高達48.61%。除了STM

以外，英飛凌的進展同樣迅猛，市場份額自2019年的9.95%快速提

升至2021E的20.81%,已超越Wolfspeed和Rohm成為全球第二

大碳化硅器件供應商。

相比襯底，碳化硅器件部分目前國內(nèi)暫時未能進入全球核心廠商名錄,

但國內(nèi)企業(yè)已陸續(xù)完成了核心產(chǎn)品的研發(fā)：部分已完成了年規(guī)認證乃

至已在OBC上實現(xiàn)了上車，未來隨著我國碳化硅器件廠商技術的不

斷迭代和產(chǎn)能的持續(xù)擴張，我們認為有望能看到具備核心技術、優(yōu)質(zhì)

客戶支持、充足資金的頭部企業(yè)實現(xiàn)從無到有的快速擴張。

設備與材料：不可忽視的技術與資本開支盛宴

在設備環(huán)節(jié)，碳化硅晶圓和器件的制備基本工藝流程同硅基半導體基

本一致，大部分工藝段設備可以與硅基半導體工藝兼容，但由于碳化

硅熔點較高、硬度較大、熱導率較高、鍵能較強的特殊性質(zhì)，使得部

分工藝段需要使用專用設備、部分需要在硅設備基礎上加以改進。碳

化硅器件制備過程中相對特殊的設備或要求：需使用分步投影光刻機、

專用的碳化硅外延爐、高溫離子注入機、高溫退火和高溫氧化設備；

干法刻蝕設備需更高的刻蝕功率；器件封裝過程中的減薄機需針對碳

化硅材料脆硬特性改進；劃片機需針對碳化硅導熱性好的特點使用激

光隱形劃切方法。目前，國內(nèi)具備部分碳化硅設備研發(fā)制造能力的企

業(yè)主要為中電科、北方華創(chuàng)、中微公司、大族激光、拓荊科技、宇晶

股份、快克股份、智立方等。

在模塊封裝環(huán)節(jié)，作為各種芯片（GBT芯片、Diode芯片、電阻、碳

化硅芯片等）的承載體，基板通過表面覆銅層完成芯片部分連接極或

者連接面的連接的同時與散熱基板相連，最終把整個模塊的熱量散發(fā)

出去，因此對于模塊的散熱結構來說基板的選擇尤為重要，目前主流

的功率半導體模塊封裝主要是用DBC（直接鍵合銅）陶瓷基板。隨

著車用等市場的爆發(fā)，碳化硅功率模塊的應用逐漸成熟，AMB逐漸

成為電力電子模塊封裝的新趨勢。AMB是在DBC技術的基礎上發(fā)展

而來的，相比于傳統(tǒng)的DBC基板，采用AMB工藝制備的陶瓷基板，

不僅具有更高的熱導率、更好的銅層結合力，而且還有熱阻更小、可

靠性更高等優(yōu)勢。目前，由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊

料對于焊接的可靠性影響較大，只有日本幾家公司掌握了高可靠活性

金屬焊接技術，AMB高可靠技術目前仍主要掌握在日本廠商手中，

國內(nèi)具備一定AMB研發(fā)生產(chǎn)能力的企業(yè)主要為上海申和熱磁、博敏

電子。

表15:2022年碳化硅上下游企業(yè)簽單情況

動態(tài)簽訂時間

賽米控與德國某大型汽車制造商簽訂100億元模塊合同2022.02

晶盛機電