智能工厂展nepcon|碳化硅引领半导体材料迎来新机遇

参照硅晶圆规格发展史，我们认为 8 英寸衬底将是边际成本递减的拐点规格。将硅晶圆规格扩大至 18 英寸后所需的研发支出和固定资产投入将大幅提升，带来的产品单位成本降幅有限，厂商扩径动力有限。参照半导体晶圆的发展史，我们认为 8 英寸将是碳化硅衬底的主流规格，未来继续扩径动力有限。相较于 6 英寸衬底，8 英寸衬底的经济性更高，将成为主流衬底规格。根据 Wolfspeed 数据，从 6 英寸升级到 8 英寸，衬底的加工成本有所增加，但合格芯片产量可以增加 80%-90%；同时 8 英寸衬底厚度提升有利于在加工过程中维持几何形状、降低边缘翘曲度，降低缺陷密度，从而提升良率，采用 8 英寸衬底可以将单位综合成本降低 50%。智能工厂展nepcon了解到，目前世界上碳化硅衬底主流尺寸为 6 英寸，正在向 8 英寸衬底过渡中，国内碳化硅衬底主流规格则为 4 英寸并向 6 英寸衬底过渡。8 英寸是国内厂商实现弯道超车的机会。目前 8 英寸衬底的经济性已经跑通，Wolfspeed、Rohm 和英飞凌等海外头部厂商的 8 英寸衬底项目已启用或在建设中。主流衬底规格将从 6 英寸切换到 8 英寸的行业发展趋势已相对明确，在这样的情况下如果国内设备厂家仍大幅度提高 6 英寸衬底设备产能将面临“投产即落后”的问题，我们认为设备厂家在本阶段应该重点突破和布局 8 英寸衬底设备产能，以实现弯道超车。碳化硅材料优势明显

智能工厂展nepcon了解到，传统半导体材料应用领域受限，碳化硅材料空间广阔。目前半导体材料由以硅、锗为主的第一代半导体材料，发展到以砷化镓为代表的第二代半导体材料，以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料。硅基材料为目前应用最普遍的半导体材料，但在高压平台的应用上接近发展极限。砷化镓材料主要应用于通信领域，由于禁带宽度不够大等因素，在高温、高频、高功率的应用领域受限。碳化硅材料因其优越的性能可以提高器件使用效率，并更好的应用于高压、高频、高温等场景。虽然现阶段衬底制备难度大推高了器件成本，随着技术迭代、产能扩张、规格扩径推动衬底成本下降，碳化硅材料将快速渗透。

碳化硅（SiC）由碳元素和硅元素组成，与氮化镓（GaN）等同为第三代化合物半导体材料。天然碳化硅十分罕见，多为人工制造。碳化硅有 200 多种晶型，主流晶型为 4H-SiC，是碳化硅器件的首选。碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为 9.5 级，仅次于世界上最硬的金刚石，具有优良的导热性能。碳化硅作为第三代半导体具有优越的材料特性。和以硅为代表的第一代单元素半导体材料和以砷化镓为代表的第二代化合物半导体材料相比，碳化硅具有宽禁带、高热导率、高击穿电场强度等优越的材料特性，使得以碳化硅制成的半导体器件能够满足高温、高压、高频等条件下的应用需求。

碳化硅器件替代硅器件为必然趋势。碳化硅器件相对于硅器件的优势如下：

（1）耐高温：碳化硅的禁带宽度和热导率均为硅的 3 倍左右，理论上碳化硅器件能在超 600℃的环境下工作，硅器件的极限工作环境局限 在 175℃。

（2）耐高压：碳化硅的击穿电场强度是硅的 10 倍左右，极大地提高了器件的耐压特性。

（3）低损耗：碳化硅拥有约 2 倍于硅的饱和电子漂移速率与极低的导通电阻，能够降低能量损耗，如相同规格的碳化硅基MOSFET 较硅基IGBT的总能量损耗可降低70%，提高转化效率。新能源汽车、光伏等应用场景对高压平台的需求逐渐提高，使用碳化硅替代硅来制备半导体器件能够在高温高压环境下，以较少的电能消耗， 发挥更高的工作效率。

预计 2025年全球6英寸碳化硅衬底需求将达到 677万片。根据Wolfspeed数据, 碳化硅在新能源车和光伏领域应用占比将由 2021 年的 77.1%提升至 2027 年的 86.5%，新能源车和光伏领域将是碳化硅的两大主要应用场景。我们将重点对这两个领域进行测算，并以新能源车和光伏领域的应用占比测算全球 6 英寸碳化硅衬底总需求量。2025 年全球碳化硅衬底仍有 218 万片的缺口。Wolfspeed、Coherent 和 Rohm 的衬底综合良率分别为 70%、60%、60%左右，并预计在 2023-2025 年内维持该良率水平。目前国内碳化硅厂商的平均综合良率约为 40%， 随着衬底制备技术的逐渐成熟，市场预计 2025 年综合良率可以提升至 50%。根据上述现有产能数据以及未来产能规划，智能工厂展nepcon预计全球碳化硅衬底有效产能将从 2022 年的 65 万片提升至 2025 年 405 万片，因此 2025 年将存在 272 万片的产能缺口。

文章来源：创力