碳化硅，國產(chǎn)替代成效顯著
碳化硅，國產(chǎn)替代成效顯著
碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料的主要代表之一，其技術(shù)發(fā)展也至關(guān)重要。雖然國內(nèi)碳化硅的技術(shù)水平與國外有所差距，但國內(nèi)企業(yè)在 2-6 英寸的半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底領(lǐng)域均已實(shí)現(xiàn)部分國產(chǎn)替代，8 英寸晶圓也在研制過程中，國產(chǎn)替代進(jìn)程講持續(xù)突破。
碳化硅市場產(chǎn)業(yè)鏈主要分為晶圓襯底制造、外延片生產(chǎn)、碳化硅器件研發(fā)和裝備封裝測試四個(gè)部分，分別占市場總成本的 50%、25%、20%、5%，由于具備晶體生長過程繁瑣，晶圓切割困難等特點(diǎn)，碳化硅襯底的制造成本一直處于高位。目前高質(zhì)量襯底的應(yīng)用主要集中于 WolfSpeed、II-VI、ROHM 三大供應(yīng)商，CR3 市場占有率達(dá)到 80%以上，國內(nèi)廠商為代表的襯底廠商的產(chǎn)品良率、品質(zhì)和生產(chǎn)效率還有一定差距，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，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)前碳化硅襯底已應(yīng)用于射頻器件及功率器件，隨著下游需求爆發(fā)，2022-2026 年 SiC 器件的市場規(guī)模將從 43 億美元提升到 89 億美元，年復(fù)合增長率為 20%。
碳化硅性能優(yōu)勢
碳化硅在半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料，基于其優(yōu)良的特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，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)前碳化硅襯底已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。碳化硅器件優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）耐高壓。擊穿電場強(qiáng)度大，是硅的 10 倍，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。
（2）耐高溫。半導(dǎo)體器件在較高的溫度下，會(huì)產(chǎn)生載流子的本征激發(fā)現(xiàn)象，造成器件失效。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高。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(shí)，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。
（3）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(shí)碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉(zhuǎn)換頻率下，400V 電壓時(shí)，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的 29%-60%之間；800V 時(shí)，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的 30%-50%之間。因此碳化硅器件的能量損失更小。
國內(nèi)發(fā)展碳化硅的難點(diǎn)
碳化硅生產(chǎn)過程主要包括碳化硅單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應(yīng)的是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)。
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈及代表企業(yè)
碳化硅襯底
當(dāng)前，國內(nèi)廠商碳化硅襯底生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)與國際主流廠商相比仍有明顯差距。
碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)公司主要量產(chǎn)襯底尺寸集中在4 英寸及6英寸。在最新技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備上，以行業(yè)領(lǐng)先者WolfSpeed公司的研發(fā)進(jìn)程為例，WolfSpeed公司已成功研發(fā) 8 英寸產(chǎn)品。為提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向，襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低；襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。由于現(xiàn)有的 6 英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級(jí)改造用于生產(chǎn)SiC器件，所以 6 英寸 SiC 襯底的高市占率將維持較長時(shí)間。目前我國市場上使用的碳化硅襯底一般為4英寸，可生產(chǎn)6英寸碳化硅襯底的企業(yè)，全國不足10家。
碳化硅襯底制備主要有以下技術(shù)難點(diǎn)：（1）碳化硅單晶的制備對于溫度場設(shè)計(jì)。適宜的溫度場是制備碳化硅單晶的基礎(chǔ)，不適宜的溫度場極易導(dǎo)致單晶開裂等問題。此外，隨著碳化硅襯底直徑的增加，溫度場的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)難度也在增加。（2）降低結(jié)晶缺陷密度。襯底中結(jié)晶缺陷（如：微管、穿透性螺位錯(cuò)（TSD）、基平面位錯(cuò)（BPD））會(huì)對器件造成負(fù)面影響。由于碳化硅較高的生長溫度，為降低結(jié)晶缺陷密度，傳統(tǒng)的工藝條件 （如掩膜法）已經(jīng)不能滿足低結(jié)晶缺陷密度單晶的生長，勢必需要導(dǎo)入新工藝，增加工藝復(fù)雜性，這會(huì)推高單晶成本。因此，需要投入較長的時(shí)間及較大的物料成本研發(fā)新工藝，較長的研發(fā)周期可能會(huì)阻礙襯底單位面積成本的下降，且隨著單晶生長厚度的增加，單晶殘余內(nèi)應(yīng)力迅速增加，這會(huì)導(dǎo)致單晶結(jié)晶質(zhì)量下降甚至導(dǎo)致單晶開裂等問題，如何有效兼顧單晶可用厚度及單晶結(jié)晶質(zhì)量存在較大難度。
襯底主要的三個(gè)幾何參數(shù)為TTV（總厚度偏差）、Bow（彎曲度）及Wrap（翹曲度），國內(nèi)廠商與國外領(lǐng)先廠商仍存在明顯差距。此外， 產(chǎn)品的一致性問題是難以攻克的短板，國產(chǎn)襯底目前較難進(jìn)入主流供應(yīng)鏈。具體來說，國產(chǎn)襯底技術(shù)短板以及一致性問題主要包含兩個(gè)方面：（1）由于國內(nèi)廠商起步相對較晚，在材料匹配、設(shè)備精度和熱場控制等技術(shù)角度需要長時(shí)間的專門知識(shí)累積；（2）國內(nèi)廠商的客戶較少且比較分散，客戶的反饋速度更慢，反饋內(nèi)容不徹底。相比較起來，WolfSpeed 的產(chǎn)品線覆蓋襯底、外延、器件乃至模組，后端反饋充分且及時(shí)。因此，國內(nèi)廠商的技術(shù)差距直接導(dǎo)致襯底綜合性能較差，無法用于要求更高的產(chǎn)線中；一致性問則表示優(yōu)質(zhì)襯底比例較低，直接導(dǎo)致襯底的成本大幅上升，上述兩點(diǎn)導(dǎo)致國內(nèi)廠商制造的襯底還無法進(jìn)入主流供應(yīng)鏈。
碳化硅外延
當(dāng)前外延主要以 4 英寸及 6 英寸為主，大尺寸碳化硅外延片占比逐年遞增。碳化硅外延尺寸主要受制于碳化硅襯底尺寸，當(dāng)前 6 英寸碳化硅襯底已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，因此碳化硅襯底外延也逐漸從 4 英寸向 6 英寸過渡。在未來幾年里，大尺寸碳化硅外延片占比會(huì)逐年遞增。由于 4 英寸碳化硅襯底及外延的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，因此，4 英寸碳化硅外延晶片已不存在供給短缺的問題，其未來降價(jià)空間有限。此外，雖然當(dāng)前國際先進(jìn)廠商已經(jīng)研發(fā)出 8 英寸碳化硅襯底，但其進(jìn)入碳化硅功率器件制造市場將是一個(gè)漫長的過程，隨著 8 英寸碳化硅外延技術(shù)的逐漸成熟，未來可能會(huì)出現(xiàn) 8 英寸碳化硅功率器件生產(chǎn)線。
碳化硅外延主要解決外延晶片均勻性控制和外延缺陷控制兩大問題。
（1）外延晶片均勻性控制方面，由于外延片尺寸的增大往往會(huì)伴隨外延晶片均勻性的下降，因此大尺寸外延晶片均勻性的控制是提高器件良率和可靠性、進(jìn)而降低成本的關(guān)鍵。
（2）外延缺陷控制問題?；嫖诲e(cuò)（BPD）是影響碳化硅雙極型功率器件穩(wěn)定 性的一個(gè)重要結(jié)晶缺陷，不斷降低 BPD 密度是外延生長技術(shù)發(fā)展的主要方向。由于物理氣象傳輸法（PVT）制 備碳化硅襯底的 BPD 密度較高，外延層中對器件有害的 BPD 多來自于襯底中的 BPD 向外延層的貫穿。因此，提 高襯底結(jié)晶質(zhì)量可有效降低外延層 BPD 位錯(cuò)密度。
隨著碳化硅器件的不斷應(yīng)用，器件尺寸及通流能力不斷增加， 對結(jié)晶缺陷密度的要求也不斷增加，在未來技術(shù)的進(jìn)步下，碳化硅外延片結(jié)晶缺陷密度會(huì)隨之不斷下降。
碳化硅功率器件
我們把 SiC 器件發(fā)展分為三個(gè)發(fā)展階段，2019-2021 年初期，特斯拉等新能源汽車開始試水搭載 SiC 功率器件；2022-2023 年為拐點(diǎn)期，SiC 在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了批量生產(chǎn)的臨界區(qū)域，并且充電基礎(chǔ)設(shè)施、5G 基站、工業(yè)和能源等應(yīng)用逐步采用 SIC 器件；2024-2026 年為爆發(fā)期，SIC 加速滲透，在新能源汽車、充電基礎(chǔ)設(shè)施、5G 基站、工業(yè)和能源等得到廣泛應(yīng)用。
當(dāng)前，碳化硅MOSFET制備技術(shù)要求較高，碳化硅MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性， 柵級(jí)氧化物形成技術(shù)挑戰(zhàn)較高。平面SiC MOSFET的缺陷密度較高，MOSFET溝道中電子散射降低溝道電子遷移率從而使得性能下降，即溝道電阻上升、功率損耗上升而溝道電流下降。由于SiC MOSFET的N+源區(qū)和 P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活，一個(gè)關(guān)鍵的工藝是 SiC MOSFET 柵氧化物的形成， 而碳化硅材料中同時(shí)有 Si 和 C 兩種原子存在，因此需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。目前英飛凌、ST、羅姆等國際大廠 600-1700V 碳化硅SBD、MOSFET均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而國內(nèi)所有碳化硅 MOSFET 器件制造平臺(tái)仍在搭建中，部分公司的產(chǎn)線仍處于計(jì)劃階段，離正式量產(chǎn)還有很長一段距離。
國內(nèi)外碳化硅主要廠商
全球碳化硅襯底市場目前仍以國外企業(yè)為主，2020 年上半年科銳(WolfSpeed)、羅姆(ROHM)、II-VI、昭和電工、天科合達(dá)五家企業(yè)合計(jì)市場占比分別達(dá)到 91%，市場高度集中。其中，WolfSpeed 獨(dú)占 45%的市場份額，是全球的龍頭企業(yè)，且國外企業(yè)合計(jì)占比超過 85%，占據(jù)市場主導(dǎo)地位。目前國內(nèi)暫未出現(xiàn)碳化硅的 IDM 企業(yè)，且整體份額占比較小，但受益于政策利好等因素，國產(chǎn)替代進(jìn)程仍在不斷加快。
國外主要廠商
01、WolfSpeed
科銳（WolfSpeed）成立于 1987 年，是一家開發(fā)制造半導(dǎo)體材料和設(shè)備的美國公司，也是全球碳化硅基半導(dǎo)體材料及器件龍頭。該公司主要基于碳化硅、氮化鎵和相關(guān)化合物生產(chǎn)半導(dǎo)體材料以及發(fā)光二極管、照明、電源盒射頻等半導(dǎo)體產(chǎn)品。WolfSpeed 最初擁有四大業(yè)務(wù)部門：WolfSpeed、LED、照明業(yè)務(wù)和電源及射頻業(yè)務(wù)。由于 LED 和照明業(yè)務(wù)部門利潤下降，而專注于制造碳化硅材料的 WolfSpeed 的增長速度超越其他業(yè)務(wù)，因此公司先后出售了其他三大業(yè)務(wù)部門，現(xiàn)已完全轉(zhuǎn)型為以 SiC 和 GaN 為主的半導(dǎo)體企業(yè)。WolfSpeed 部門目前主要生產(chǎn) SiC 和 GaN 襯底及外延，并且將半導(dǎo)體材料廣發(fā)應(yīng)用于電源、射頻、功率器件等領(lǐng)域的生產(chǎn)。2020年上半年 WolfSpeed 在碳化硅襯底市場的占有率為 45%，在碳化硅器件市場占有率為 26%，均位居首位。
公司的重大發(fā)展歷程如下：
2016 年 7 月，英飛凌表示同意以 8.5 億美元現(xiàn)金收購科銳的 WolfSpeed 業(yè)務(wù)部門（射頻和電力電子設(shè)備）。然而，在兩家公司無法解決監(jiān)管機(jī)構(gòu)的國家安全問題后，該交易于 2017 年 2 月被取消。
2018 年 3 月，科銳宣布以 3.45 億歐收購英飛凌射頻功率業(yè)務(wù)（反收購）。
2019 年 3 月，科銳宣布將旗下 LED 照明部門（WolfSpeed Lighting）以 3.1 億美元出售給美國 Ideal Industries 公司。科銳出售的業(yè)務(wù)包括用于商業(yè)的 LED 照明燈具和企業(yè)照明解決方案。
2019 年 5 月，科銳宣布將投資 10 億美元用于擴(kuò)大 SiC 碳化硅產(chǎn)能。
2020 年 10 月，科銳宣布以高達(dá) 3 億美元的價(jià)格將其 LED 業(yè)務(wù)出售給 SMART Global Holdings，并將于 2021 年 10 月正式更名為 WolfSpeed。本次交易進(jìn)一步明確了公司的戰(zhàn)略定位，WolfSpeed 將引領(lǐng)從硅到碳化硅的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。
02、羅姆(ROHM)
羅姆是全球著名半導(dǎo)體廠商，以制造和銷售半導(dǎo)體、集成電路和電子元件為主，產(chǎn)品包括 IC、二極管、LED、SiC 功率器件等。羅姆公司以高功率、模擬、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品這三個(gè)產(chǎn)品系列為中心，加速技術(shù)開發(fā)。公司擁有三大產(chǎn)品部門：（1）IC：該部門主要負(fù)責(zé)集成電路的生產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品包括 DRAM、驅(qū)動(dòng)器 IC、通用IC、傳感器 IC 等；（2）分立半導(dǎo)體器件：該部門進(jìn)行以 Si 和 SiC 為材料的半導(dǎo)體器件制造，包括 MOSFET、晶體管、二極管、LED、碳化硅功率元器件等；（3）模塊：該部門主要負(fù)責(zé)無線通信模塊和打印頭的生產(chǎn)，主要包括 Wi-Fi 模塊、LAPIS、傳真打印頭；此外，公司還具備無源設(shè)備、芯片組的生產(chǎn)能力以及晶圓、MEMS和先進(jìn)封裝的代工服務(wù)。2020 年上半年 ROHM 在 SiC 襯底市場的占有率為 20%，在 SiC 器件市場的占比為21%，均位居全球第二位，其子公司 SiCrystal 專注于 SiC 襯底的生產(chǎn)。
03、II-VI
II-VI 成立于 1971 年，是一家全球領(lǐng)先的開發(fā)、制造和銷售工程材料和光電元件設(shè)備以及材料的垂直整合類公司，為通信、工業(yè)、航天、半導(dǎo)體設(shè)備、消費(fèi)電子和智能汽車的多元化應(yīng)用提供創(chuàng)新產(chǎn)品。II-VI 擁有兩個(gè)業(yè)務(wù)部門：1）化合物半導(dǎo)體：該部門主要提供 SiC 襯底、外延和器件以及砷化物外延晶片，同時(shí)包括用于高功率二氧化碳激光器的光電組件和材料，應(yīng)用領(lǐng)域包括航空、國防、醫(yī)療、半導(dǎo)體等；2）光子解決方案：該部門主要提供用于光通信網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、生命科學(xué)等領(lǐng)域的晶體材料和光學(xué)器件，還為激光終端用戶、系統(tǒng)集成商和政府提供微芯片激光器和光電模塊。目前，II-VI 在半導(dǎo)體領(lǐng)域的成果主要包括 SiC 的襯底和外延技術(shù)開發(fā)，2020 年上半年公司在 SiC 襯底市場的占有率為 13%。
研發(fā)水平逐步增加，SiC 技術(shù)處于領(lǐng)先。2021 年公司的研發(fā)支出為 3.30 億美元，同比下降 2.64%，占營收比例為 10.63%。同樣的，收到收購業(yè)務(wù)的影響，公司的研發(fā)支出在 2020 財(cái)年大幅上升，這些費(fèi)用用于投資新資產(chǎn)和業(yè)務(wù)流程，包括 5G、3D 傳感、磷化銦、激光雷達(dá)和其他新興市場。目前，II-VI 所擁有的碳化硅襯底具備高質(zhì)量和低位錯(cuò)密度，且晶圓尺寸已達(dá) 200mm 并處于世界領(lǐng)先地位，該襯底目前已用于電動(dòng)汽車和 5G等電力電子以及射頻電子領(lǐng)域。同時(shí)，II-VI 可在 150mm 的晶圓上生產(chǎn)一流均勻性的 SiC 外延，包括 250 微米及以上的厚層生長和低濃度摻雜層，是世界最先進(jìn)的 SiC 外延技術(shù)之一。公司所獨(dú)創(chuàng)的 3DSiC 技術(shù)可以充分利用 SiC 材料，以最小損耗實(shí)現(xiàn)極高的功率處理，可將電流密度提高 30%并縮小相應(yīng)的芯片尺寸，這對 SiC為原料的芯片制程壓縮具有重要意義。
04、ST Microelectronics
意法半導(dǎo)體(ST Microelectronics)成立于 1987 年，是一家位于瑞士負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和銷售半導(dǎo)體產(chǎn)品的跨國企業(yè)。該公司由法國的“Thomson Semiconducteurs”和意大利的“SGS Microelettronica”兩家公司合并而成，是歐洲目前收入最高的半導(dǎo)體芯片制造商。ST 目前擁有三項(xiàng)主營業(yè)務(wù)：1）汽車和分立器件業(yè)務(wù)(ADG)：該部門負(fù)責(zé)專用于汽車的 IC，以及面向汽車、工業(yè)、通信等終端市場的分立器件和功率晶體管的制造和銷售；2）模擬、MEMS 和傳感器業(yè)務(wù)(AMS)：該部門主要提供用于模擬、智能電源、低功率射頻、MEMS傳感器和執(zhí)行器以及光學(xué)傳感領(lǐng)域的解決方案和產(chǎn)品；3）微控制器和數(shù)字 IC 業(yè)務(wù)(MDG)：該部門致力于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售微控制器（通用和安全）、存儲(chǔ)器（RF 和 EEPROM）和 RF 通信等相關(guān)產(chǎn)品。目前，公司的主要客戶包括蘋果、三星、華為、特斯拉等智能手機(jī)和電動(dòng)汽車龍頭企業(yè)，且 2020 年蘋果貢獻(xiàn)了公司 23.9%的收入，是公司的第一大客戶。2019 年 12 月，ST 完成了對 SiC 晶圓制造商 Norstel 的收購，標(biāo)志著公司正式覆蓋 SiC襯底和外延業(yè)務(wù)。截止 2020 年上半年，意法半導(dǎo)體在碳化硅器件市場的占有率約為 8%左右。
國內(nèi)主要廠商
01、山東天岳—絕緣型襯底為主
山東天岳先進(jìn)科技股份有限公司成立于 2010 年，主營業(yè)務(wù)是寬禁帶半導(dǎo)體（第三代半導(dǎo)體）碳化硅襯底材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品可應(yīng)用于微波電子、電力電子等領(lǐng)域。目前，公司主要產(chǎn)品包括半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底。經(jīng)過十余年的技術(shù)發(fā)展，公司已掌握涵蓋了設(shè)備設(shè)計(jì)、熱場設(shè)計(jì)、粉料合成、晶體生長、襯底加工等環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，自主研發(fā)了不同尺寸半絕緣型及導(dǎo)電型碳化硅襯底制備技術(shù)。公司作為我國碳化硅襯底領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，在國家亟需的時(shí)候， 擔(dān)當(dāng)起國家核心戰(zhàn)略物資的保障供應(yīng)重任，批量供應(yīng)了半絕緣型碳化硅襯底材料，成功實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的自主可控。根據(jù)國際知名行業(yè)咨詢機(jī)構(gòu) Yole 的統(tǒng)計(jì)，2019 年及 2020 年公司已躋身半絕緣型碳化硅襯底市場的世界前三。公司的產(chǎn)品以半絕緣型襯底和導(dǎo)電型襯底為主，其應(yīng)用范圍涵蓋光電子，電子電氣，微波通訊等領(lǐng)域。
02、天科合達(dá)—導(dǎo)電型襯底為主
北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司設(shè)立于 2006 年 9 月 12 日。公司是國內(nèi)領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體材料——碳化硅晶片生產(chǎn)商。公司主要從事碳化硅領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品包括碳化硅晶片、其他碳化硅產(chǎn)品和碳化硅單晶生長爐，其中碳化硅晶片是公司核心產(chǎn)品。公司建立了國內(nèi)第一條碳化硅晶片中試生產(chǎn)線，是國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，在國內(nèi)率先成功研制出 6 英寸碳化硅晶片，相繼實(shí)現(xiàn) 2 英寸至 6 英寸碳化硅晶片產(chǎn)品的規(guī)模化供應(yīng)。公司掌握了覆蓋碳化硅晶片生產(chǎn)的“設(shè)備研制—原料合成—晶體生長—晶體切割—晶片加工—清洗檢測”全流程關(guān)鍵技術(shù)和工藝，在設(shè)備環(huán)節(jié)可以提供碳化硅單晶生長爐，在晶片環(huán)節(jié)可以提供 2-6 英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅晶片，在其他碳化硅產(chǎn)品環(huán)節(jié)可以提供碳化硅籽晶、晶體等。天科合達(dá)已成為是國內(nèi)領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體材料——碳化硅晶片生產(chǎn)商。
03、露笑科技— SIC 襯底
露笑科技設(shè)立于 2003 年，是一家有多元化業(yè)務(wù)的綜合公司，產(chǎn)業(yè)涵蓋銅芯、鋁芯電磁線、LED 藍(lán)寶石襯底片、碳化硅襯底片、新能源汽車電機(jī)電池電控、光伏發(fā)電、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、投資管理、國際貿(mào)易等十多個(gè)領(lǐng)域。露笑科技以漆包線為起點(diǎn)賺得第一桶金并成功在深交所上市。但漆包線行業(yè)因準(zhǔn)入門檻低，同質(zhì)化程度越來越高，隨之帶來的利潤率也越來越低，成長空間受限，故 2014 年開始產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。公司先后收購上海正昀，江蘇鼎陽綠能電力有限公司進(jìn)軍新能源汽車和光伏產(chǎn)業(yè)，并與伯恩光學(xué)合作開展藍(lán)寶石業(yè)務(wù)并積極探索國外市場。目前第三代半導(dǎo)體處在早期部署階段，露笑科技憑借著在布局藍(lán)寶石業(yè)務(wù)期間積累的大量的生產(chǎn)藍(lán)寶石長晶爐的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入了碳化硅領(lǐng)域，總投資近百億。公司擁有浙江省級(jí)研究院、博士后科研工作站、省級(jí)技術(shù)中心等平臺(tái)，擁有一支優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，多次承擔(dān)國家、省部級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目，多次獲得各級(jí)科技獎(jiǎng)，參與制修訂國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 48 項(xiàng)，累計(jì)擁有國內(nèi)領(lǐng)先的科技成果近 20 項(xiàng)。
憑借著頂尖的碳化硅生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)以及依托于藍(lán)寶石業(yè)務(wù)上的深厚積淀，目前露笑科技已經(jīng)突破以下幾項(xiàng)碳化
硅生長爐及生長環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)：
完成 6 寸石英管式碳化硅晶體生長爐開發(fā)，以獨(dú)特密封結(jié)構(gòu)解決設(shè)備高真空度獲取與長時(shí)間保持的難題，極限真空<2×10-5Pa，具備工程化使用條件；
完成大尺寸碳化硅單晶制備相關(guān)理論的研究，通過計(jì)算機(jī)模型輔助計(jì)算，形成了單晶制備過程物質(zhì)與熱量傳輸、缺陷演變的基本規(guī)律，解決了熱場均勻性差、大尺寸單晶應(yīng)力聚集、單晶擴(kuò)徑難等問題，為 6 寸及以上半絕緣碳化硅晶體的制備打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；
解決晶型生長控制難、微管密度大、晶體背向腐蝕嚴(yán)重等難題，提升了單晶質(zhì)量，通過長晶過程中的除雜工藝實(shí)現(xiàn)了高電阻率晶體生長；
高純度碳化硅原料合成，有效降低原料中對電阻率提升有害的特定雜質(zhì)含量濃度，達(dá)到小于 1ppm 量級(jí)。
04、晶盛機(jī)電—SIC 襯底
晶盛機(jī)電是國內(nèi)晶體硅生長設(shè)備龍頭，主要從事晶體生長設(shè)備研發(fā)、制造、銷售。公司的產(chǎn)品主要有碳化硅長晶設(shè)備及外延設(shè)備，業(yè)務(wù)下游涉及光伏、半導(dǎo)體、藍(lán)寶石等行業(yè)方向。在光伏領(lǐng)域、半導(dǎo)體領(lǐng)域，LED照明領(lǐng)域還分為晶體生長設(shè)備，智能化加工設(shè)備等。在藍(lán)寶石領(lǐng)域，公司可提供滿足 LED 照明襯底材料和窗口材料所需的藍(lán)寶石晶錠和晶片。2006 年上虞晶盛機(jī)電工程有限公司成立，2010 年整體改制為上虞晶盛股份有限公司，同年更名為浙江晶盛機(jī)電股份有限公司（簡稱：晶盛機(jī)電），2012 年公司在深交所創(chuàng)業(yè)板上市（代碼：300316.SZ），2014 年成立晶瑞電子運(yùn)營藍(lán)寶石切磨拋業(yè)務(wù)，拓展了藍(lán)寶石業(yè)務(wù)，2018 年拓展半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，并在 2020 年 SIC 研發(fā)取得突破性進(jìn)展。晶盛機(jī)電公司在高端精密加工領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力處于行業(yè)前列，建立了半導(dǎo)體材料關(guān)鍵加工設(shè)備的國產(chǎn)化領(lǐng)先優(yōu)勢。目前，公司的主要客戶有中環(huán)股份、有研半導(dǎo)體、合晶科技、上機(jī)數(shù)控等知名上市公司以及大型企業(yè)，密切合作的下游客戶為公司的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。晶盛機(jī)電是國內(nèi)晶體硅生長設(shè)備龍頭，近年來業(yè)績持續(xù)向好。
05、三安光電—IDM SIC 全產(chǎn)業(yè)鏈
三安光電成立于 2000 年，主要從事化合物半導(dǎo)體所涉及的部分核心原材料、外延片生長和器件制造，材料包括氮化鎵、碳化硅、磷化銦、藍(lán)寶石等第三代半導(dǎo)體。公司具有國內(nèi)產(chǎn)銷規(guī)模首位的化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)規(guī)模，屬于技術(shù)、資本密集型的產(chǎn)業(yè)，是化合物半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)鏈布局最為完善、領(lǐng)先 IDM 企業(yè)。公司目前的主要業(yè)務(wù)包括四個(gè)板塊：1）光電：以 GaAs、GaN、藍(lán)寶石為基礎(chǔ)，進(jìn)行 LED 和光伏電池器件生產(chǎn)，產(chǎn)品用于照明、光伏、醫(yī)療等領(lǐng)域；2）微波射頻：主要以 GaN、GaAS 和 InP 為主，生產(chǎn)制造功率放大器、濾波器、射頻開關(guān)器等，可用于移動(dòng)通信基站、藍(lán)牙模組等；3）電力電子：通過 SiC、GaN 等第三代半導(dǎo)體，進(jìn)行各類二極管和晶體管的研發(fā)，主要用于新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、快充電源等下游領(lǐng)域；4）光通訊：借助 GaAS、InP 等原材料，制造二極管、激光器件，通常適用于通信基站、云計(jì)算、3D 感應(yīng)等市場。公司致力于將化合物半導(dǎo)體集成電路業(yè)務(wù)發(fā)展至全球行業(yè)領(lǐng)先水平，努力打造具有國際競爭力的半導(dǎo)體廠商。目前，公司已與主要供應(yīng)商和采購客戶建立起了長年穩(wěn)定的合作關(guān)系，形成較為穩(wěn)定的原材料供應(yīng)渠道。三安光電在長沙投產(chǎn)建成的兩條 SiC 生產(chǎn)線，已經(jīng)全面整合了襯底、外延、晶圓生產(chǎn)、封測的垂直環(huán)節(jié)，預(yù)計(jì) 2022 年下半年到 2023 年可以實(shí)現(xiàn)整車產(chǎn)品達(dá)產(chǎn)，客戶包括國內(nèi)外的各芯片應(yīng)用企業(yè)。
06、鳳凰光學(xué)—中國電科促進(jìn)資源整合
鳳凰光學(xué)股份有限公司成立于 1997 年，是一家擁有五十余年歷史的綜合光學(xué)元件及產(chǎn)品的生產(chǎn)商，近年來成為集研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造一體化的精密加工、光學(xué)組件國內(nèi)重要供應(yīng)商，主要產(chǎn)品包括光學(xué)組件，精密加工，光學(xué)儀器等。其光學(xué)組件產(chǎn)品主要用于安防視頻監(jiān)控、車載等；精密加工產(chǎn)品主要用于照相機(jī)、投影機(jī)、車載等產(chǎn)品的金屬結(jié)構(gòu)件精密加工和光學(xué)鏡片精加工；光學(xué)儀器產(chǎn)品主要用于普教、工業(yè)、研究院所等領(lǐng)域的光學(xué)顯微鏡。2019 年收購?？悼萍贾悄芸刂破鳂I(yè)務(wù)前，公司主營業(yè)務(wù)為光學(xué)元件加工和鋰電芯加工。收購?fù)瓿珊?，公司主營業(yè)務(wù)變更為光學(xué)產(chǎn)品、智能控制器產(chǎn)品和鋰電芯產(chǎn)品的研發(fā)、制造和銷售。
晶圓代工廠商
01、X-Fab
X-FAB Silicon Foundries SE 是世界領(lǐng)先的模擬/混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)專業(yè)代工廠集團(tuán)之一。為汽車，工業(yè)，消費(fèi)，醫(yī)療，消費(fèi)和移動(dòng)通信以及其他應(yīng)用制造硅片、模數(shù)集成電路、傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)。業(yè)務(wù)遍及全球，提供全面的技術(shù)和設(shè)計(jì) IP。憑借在模擬/混合信號(hào) IC 生產(chǎn)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和碳化硅（SiC）方面的專業(yè)知識(shí)，為客戶提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)支持技術(shù)。核心市場汽車、醫(yī)療和工業(yè)的特點(diǎn)是高增長和長生命周期。
X-FAB 成立于 1992 年，是 Elex NV 的全資子公司。從德國國家托管組織 Treuhandanstalt 收購后，開始在德國埃爾福特運(yùn)營其第一家半導(dǎo)體工廠。1999 年，X-FAB 收購了美國德克薩斯州盧伯克的前德克薩斯儀器廠和埃爾福特工廠；2002 年從 Zarlink 收購了英國普利茅斯的一家工廠；2007 年，從 ZMD AG 收購了位于德累斯頓的 ZFOUNDRY FAB；2011 年，X-FAB 通過投資 MEMS 鑄造廠 Itzehoe（隨后于 2015 年完全收購）；2016 年10 月 1 日起，X-FAB 完成了對 Altis 的收購。自 2016 年以來，X-FAB 擁有 6 家工廠，分別位于德國（3 家），法國，馬來西亞和美國。
X-FAB 作為一家純粹的代工廠，為避免與客戶競爭而沒有自己的 IC 產(chǎn)品。專注于復(fù)雜技術(shù)、設(shè)計(jì)支持和制造解決方案，提供制造和強(qiáng)大的設(shè)計(jì)支持服務(wù)，設(shè)計(jì)模擬/混合信號(hào)集成電路（IC）和其他半導(dǎo)體器件，用于客戶的產(chǎn)品。模塊化的制造方法在半導(dǎo)體技術(shù)、設(shè)計(jì)和工藝中提供了多種增強(qiáng)選項(xiàng)，包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）、絕緣體上硅（SOI）、碳化硅（SiC）和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。提供的工藝技術(shù)在 150mm 晶圓上的特征尺寸為 1.0μm、0.8μm 和 0.6μm，在 200mm 晶圓上的特征尺寸為 0.6μm、350nm、250nm、180nm 和130nm。X-FAB 的目標(biāo)是到 2025 年實(shí)現(xiàn) 9-10%的市場份額，通過不斷增長的產(chǎn)量保持穩(wěn)定的市場份額，并為80-90%的無晶圓廠碳化硅廠商提供服務(wù)。
02、漢磊
漢磊先進(jìn)投資控股股份有限公司(Episil)是一家臺(tái)灣控股公司，主體主要從事一般投資業(yè)務(wù)，通過其子公司進(jìn)行功率半導(dǎo)體、模擬集成電路、外延片和晶圓代工系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和銷售，主要產(chǎn)品包括硅外延、模擬組件和集成電路等。目前，公司主要有三大業(yè)務(wù)板塊：1）硅晶圓：主要從事傳統(tǒng)硅、碳化硅、氮化鎵等先進(jìn)半導(dǎo)體材料的晶圓和外延片代工，以及相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品生產(chǎn)；2）原件及集成電路代工：主要負(fù)責(zé)半導(dǎo)體功率器件、集成電路等應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品銷售及代工服務(wù)；3）其他：主要包括半導(dǎo)體組件等雜項(xiàng)產(chǎn)品生產(chǎn)及銷售。漢磊是典型的 Foundry 半導(dǎo)體企業(yè)，可以提供包括 SiC 和 GaN 在內(nèi)的一系列寬禁帶半導(dǎo)體代工服務(wù)。目前，漢磊能夠進(jìn)行高良率規(guī)?；奶蓟杵骷a(chǎn)，是中國唯一且具備世界領(lǐng)先水平的純晶圓代工廠。目前，漢磊已經(jīng)擁有硅和寬禁帶半導(dǎo)體代工、碳化硅和氮化鎵三座晶圓廠，為 600V-1200V 肖特基勢壘二極管和 MOSFET 提供 4 英寸 SiC 代工服務(wù)。
03、積塔
上海積塔半導(dǎo)體有限公司是一家半導(dǎo)體芯片研發(fā)商，成立于 2017 年，公司兩大股東為華大半導(dǎo)體有限公司和上海集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司，分別持股 55%和 45%，上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造有限公司為上海積塔全資子公司。上海先進(jìn)于 1988 年由中荷合資成立為上海飛利浦半導(dǎo)體公司，于 2006 年于香港聯(lián)交所主板上市并在 2018 年退市，2019 年被上海積塔半導(dǎo)體有限公司吸收合并，此后上海積塔的主營業(yè)務(wù)便由上海先進(jìn)構(gòu)成。上海先進(jìn)是一家大規(guī)模集成電路芯片制造公司，有 5 英寸、6 英寸、8 英寸晶圓生產(chǎn)線，專注于模擬電路、功率器件的制造，8 英寸等值晶圓年產(chǎn)能 66.4 萬片，被上海市科委認(rèn)定為“高新技術(shù)企業(yè)”。同時(shí)，公司通過了 ISO9001、VDA6.3(Grade A)、IATF 16949、14001、ISO/IEC 27001 等質(zhì)量、環(huán)境及信息安全管理體系認(rèn)證，是國內(nèi)最早從事汽車電子芯片、IGBT 芯片制造的企業(yè)。此外，2018 年 8 月，積塔半導(dǎo)體特色工藝生產(chǎn)線在上海臨港開工，總投資 359 億元。2018 年 10 月，積塔半導(dǎo)體與上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造股份有限公司 (以下簡稱“先進(jìn)半導(dǎo)體”) 簽訂合并協(xié)議，合并后積塔半導(dǎo)體將分為臨港和虹漕兩個(gè)廠區(qū)。虹漕廠區(qū)擁有 5 英寸、6 英寸、8 英寸生產(chǎn)線；臨港廠區(qū)擁有 8 英寸、12 英寸、6 英寸 SiC 生產(chǎn)線，產(chǎn)品主要應(yīng)用于工控、汽車、電力、能源等領(lǐng)域。
碳化硅市場海外以 IDM 為主要運(yùn)作模式，國內(nèi)襯底廠商為天岳先進(jìn)（絕緣型襯底為主）、天科合達(dá)（導(dǎo)電型襯底為主）、中電科（爍科）、露笑科技、晶盛機(jī)電；外延片方面：瀚天天成、東莞天域、中電科等均已完成了 3-6 英寸碳化硅外延的研發(fā)和生產(chǎn)；器件方面：斯達(dá)半導(dǎo)體、士蘭微推出 SiC MOSFET 功率器件和模塊；晶圓代工方面，X-Fab 為最大代工廠，并為 80-90%的無晶圓廠碳化硅廠商提供服務(wù)；漢磊和積塔大幅增加資本開支用以擴(kuò)展 SiC 產(chǎn)能；IDM 方面：三安光電具備全產(chǎn)業(yè)整合生產(chǎn)能力（襯底/外延/器件/封測）。
參考來源：
1、中信建設(shè)投資《半導(dǎo)體材料系列：第三代半導(dǎo)體碳化硅行業(yè)前瞻》
2、中星財(cái)富《中國碳化硅的2024，是未來也是終局》
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