4月,美國芯片制造商Wolfspeed在紐約建立了碳化硅芯片制造工廠。這是全球最大的碳化硅芯片工廠,占地面積6.3萬平方公里,投資額達(dá)10億美元。該廠將是美國首家生產(chǎn)200毫米碳化硅芯片的工廠。
據(jù)TrendForce,全球碳化硅、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到18.4億美元,2025年會進(jìn)一步增長到52.9億美元,成長非常迅猛。在今年18.4億美元的市場中,碳化硅約占16億美元,氮化鎵約占2.5億美元。
跨越46億年,碳化硅的應(yīng)用之路
據(jù)說,碳化硅在天然環(huán)境下非常罕見,最早是人們在46億年前太陽系剛誕生的隕石中,發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì),所以它又被稱為“經(jīng)歷46億年時光之旅的半導(dǎo)體材料”。
1891年,美國科學(xué)家艾奇遜就在做電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時,偶然發(fā)現(xiàn)了一種碳化物,當(dāng)時誤認(rèn)為是金剛石的混合體,后來發(fā)現(xiàn)這種碳化物就是碳化硅。然而,對碳化硅的研究卻拖后了百年。因?yàn)樘蓟杈w生長難度很大,需要在2300℃以上進(jìn)行,生長速度也比較慢,加上過程難以調(diào)控、生長多型多、切割難度大等多種問題,對其研究進(jìn)展一直很緩慢。直到上世紀(jì)九十年代初,以Cree為代表的美國等發(fā)達(dá)國家的公司才在技術(shù)上有所突破。
三大優(yōu)勢助力碳化硅走向巔峰
一直以來,硅是制造半導(dǎo)體芯片最常用的材料,目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。究其原因,是硅的儲備量大,成本比較低,并且制備比較簡單。然而,硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用卻受阻,且硅在高頻下的工作性能較差,不適用于高壓應(yīng)用場景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足5G基站、新能源車及高鐵等新興應(yīng)用對器件高功率及高頻性能的需求。
在這個背景下,碳化硅走到了聚光燈下。和傳統(tǒng)的硅相比。碳化硅的使用極限性能優(yōu)于硅,可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求,當(dāng)前碳化硅已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。
碳化硅耐高壓。用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度,并大大降低器件的導(dǎo)通損耗。所以在實(shí)際應(yīng)用過程中,與硅基相比可以設(shè)計(jì)成更小的體積,約為硅基器件的1/10。
碳化硅耐高溫。碳化硅的禁帶接近硅的3倍,可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過300℃,而碳化硅器件的極限工作溫度可以達(dá)到600℃以上。同時,碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高,高熱導(dǎo)率有助于碳化硅器件的散熱,在同樣的輸出功率下保持更低的溫度,碳化硅器件也因此對散熱的設(shè)計(jì)要求更低,有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。
碳化硅可以實(shí)現(xiàn)高頻的性能。碳化硅的飽和電子漂移速率大,是硅的2倍,這決定了碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度。同時碳化硅襯底材料能量損失更小。
碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小,性能越來越好,所以半導(dǎo)體巨頭都對它青睞有加。根據(jù)ROHM的數(shù)據(jù),一款5KW的LLCDC/DC轉(zhuǎn)換器,電源控制板由碳化硅替代硅基器件后,重量從7kg減少到0.9kg,體積從8755cc降低到1350cc。碳化硅器件尺寸僅為同規(guī)格硅器件的1/10,碳化硅MOSFET系統(tǒng)能量損失小于硅基IGBT的1/4,這些優(yōu)勢也能夠?yàn)榻K端產(chǎn)品帶來顯著的性能提升。根據(jù)CREE的數(shù)據(jù),相同的電池下搭載了碳化硅MOSFET的電動車比使用硅基IGBT的電動車?yán)m(xù)航里程增加了5%~10%。
碳化硅迎來“上車”好時機(jī)
隨著碳化硅在新能源汽車、充電基礎(chǔ)設(shè)施、5G基站、工業(yè)和能源等應(yīng)用領(lǐng)域展開,需求迎來爆發(fā)增長。從2022年的應(yīng)用市場看,碳化硅半導(dǎo)體67%將用于汽車,26%將用于工業(yè),其余用于消費(fèi)和其他領(lǐng)域。其中,新能源汽車是碳化硅器件應(yīng)用增長最快的市場,預(yù)計(jì)2022-2026年的市場規(guī)模從16億美元到46億美元,復(fù)合增長率為30%。
以國內(nèi)為例,據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的規(guī)模以上工業(yè)生產(chǎn)月度數(shù)據(jù),今年4月,新能源汽車產(chǎn)量為33萬輛,同比增長42.2%,1-4月累計(jì)產(chǎn)量為168萬輛,同比增長112.7%。新能源汽車市場的高速增長,也讓碳化硅迎來“上車”好時機(jī)。
目前,碳化硅器件在新能源汽車上的應(yīng)用主要包括電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載DC/DC)、電動汽車車載充電系統(tǒng)(OBC)及非車載充電樁等方面。正如前文提到的,基于碳化硅的解決方案使汽車電動系統(tǒng)效率更高、重量更輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊,盡管碳化硅器件成本較高,但它推進(jìn)了電池成本的下降和續(xù)航里程的提升,降低了單車成本,無疑是新能源汽車最佳選擇。
2018年,特斯拉正式扣響了碳化硅上車的“發(fā)令槍”。特斯拉率先在Model 3電驅(qū)主逆變器上,采用了意法半導(dǎo)體供應(yīng)的650V 碳化硅 MOSFET器件。目前已應(yīng)用至特斯拉全系車型逆變器上。
2020年8月,比亞迪“漢”成為啟用碳化硅功率模塊首款車型。2020年底,比亞迪宣布自研碳化硅芯片,預(yù)計(jì)到2023年旗下電動汽車將實(shí)現(xiàn)碳化硅對硅基IGBT的全面替換。
2020年12月,博世宣布,開始量產(chǎn)車用碳化硅功率半導(dǎo)體,博世成為第一家自主制造生產(chǎn)碳化硅器件的汽車組件公司。根據(jù)相關(guān)報(bào)道,截止2021年,博世已在德國Reutlingen晶圓工廠增建1000平方米無塵車間,并預(yù)計(jì)2023年底新建3000平方米無塵車間,用于碳化硅半導(dǎo)體生產(chǎn)。目前,博世是少數(shù)可以自主生產(chǎn)碳化硅芯片的汽車零部件供應(yīng)商。
2021年4月江淮汽車與博世動力總成系統(tǒng)中國區(qū)在上海簽訂了碳化硅逆變器方面的戰(zhàn)略協(xié)議。
2021年8月,吉利汽車宣布采用ROHM碳化硅器件。將利用ROHM的先進(jìn)碳化硅功率解決方案,開發(fā)高效電控系統(tǒng)和車載充電系統(tǒng),以延長電動汽車的續(xù)航里程,降低電池成本并縮短充電時間。
前日,蔚來為其下一代電動車選用了安森美的最新VE-TracTM Direct 碳化硅功率模塊,兩家公司的合作加快了碳化硅技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。
碳化硅襯底賽道
襯底的制造是產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘最高、價值量最大環(huán)節(jié),是未來碳化硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的核心。
在全球碳化硅襯底市場,Wolfspeed和II-VI公司的市占率分別為45%和13%,在技術(shù)方面,Wolfspeed和II-VI已經(jīng)成功研發(fā)出8英寸襯底。
Wolfspeed前身為CREE公司,主營業(yè)務(wù)包括LED、第三代半導(dǎo)體材料/器件、射頻、照明產(chǎn)品等,隨著功率半導(dǎo)體市場快速增長,逐步剝離其他業(yè)務(wù),專注于碳化硅材料及器件領(lǐng)域,碳化硅襯底尺英寸從4英寸擴(kuò)大到8英寸,2023年計(jì)劃擴(kuò)產(chǎn)至約10萬片6英寸片月產(chǎn)能。2021年,公司襯底全球市占率超過60%,技術(shù)工藝領(lǐng)先,是碳化硅領(lǐng)域的標(biāo)桿企業(yè)。
今年3月,II-VI宣布擴(kuò)產(chǎn),“Easton工廠將在未來五年內(nèi)將II-VI的碳化硅襯底產(chǎn)量至少增加6倍,它還將成為II-VI的200 毫米碳化硅外延片旗艦制造中心,其中之一世界上最大的,”II-VI執(zhí)行副總裁Sohail Khan表示。
中國本土企業(yè)碳化硅襯底總體市占率在10%左右,中國企業(yè)主要集中在4英寸和6英寸,雖然起步較晚,研發(fā)進(jìn)度稍慢,但也都在積極布局,與行業(yè)龍頭差距正在逐漸縮小。“產(chǎn)學(xué)研用”為國內(nèi)碳化硅襯底發(fā)展的重要推進(jìn)動力。國內(nèi)高校和科研單位對碳化硅單晶的研究始發(fā)于2000年前后,主要包括中科院物理所、山東大學(xué)、上海硅酸鹽所、中電集團(tuán)46所、西安理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等。孕育出天科合達(dá)、天岳先進(jìn)等國內(nèi)碳化硅襯底領(lǐng)先企業(yè)。
天科合達(dá)的全資子公司新疆天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司的碳化硅襯底項(xiàng)目二期預(yù)計(jì)將于今年6月竣工達(dá)產(chǎn)。預(yù)計(jì)建成后安裝100臺套單晶生產(chǎn)設(shè)備,可達(dá)到年產(chǎn)單晶襯底1500錠、單晶原料50噸的規(guī)模,年度產(chǎn)值可達(dá)6500余萬元。
天岳先進(jìn)成立于2010年11月,2022年1月12日在上海證券交易所科創(chuàng)板發(fā)行上市,成為國內(nèi)“碳化硅第一股”。天岳先進(jìn)位于上海臨港的上海天岳碳化硅半導(dǎo)體材料項(xiàng)目已被納入國家布局,且被上海市政府列為2021年、2022年上海市重大建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要用于生產(chǎn)6英英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底材料,滿足下游電動汽車、新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)、儲能、開關(guān)電源等碳化硅電力電子器件應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛需求。目前,該項(xiàng)目已經(jīng)成功封頂,預(yù)計(jì)今年三季度全部達(dá)產(chǎn)后將新增碳化硅襯底產(chǎn)能約30萬片/年,為天岳先進(jìn)營收的持續(xù)增長和未來的長期發(fā)展增添新的動能。
露笑科技也持續(xù)加大研發(fā)投入,增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新能力,2021年度研發(fā)費(fèi)用為8088.92萬元,同比增長85.17%。截至2021年12月,公司已完成襯底片加工車間建設(shè)并投入使用,現(xiàn)已具備年產(chǎn)10萬片的產(chǎn)能規(guī)模,實(shí)現(xiàn)了6英寸襯底片的銷售,正處于產(chǎn)能爬坡上升期。2021年11月23日,公司披露定增預(yù)案,擬募集資金不超過29.4億元,用于第三代功率半導(dǎo)體(碳化硅)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目、大尺英寸碳化硅襯底片研發(fā)中心項(xiàng)目等。項(xiàng)目完成后,將在安徽省合肥市長豐縣形成年產(chǎn)24萬片6英英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底片的生產(chǎn)能力。
碳化硅對產(chǎn)業(yè)有著全方位的帶動,對所有重視半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國家意義非凡。在新能源車等新增下游需求的帶動下,碳化硅材料及相關(guān)器件需求有望迎來爆發(fā)式增長。