碳化硅再起飞，迎来上车好时机

　　4月，美国芯片制造商Wolfspeed在纽约建立了碳化硅芯片制造工厂。这是全球最大的碳化硅芯片工厂，占地面积6.3万平方米，投资额达10亿美元。该厂将是美国首家生产200毫米碳化硅芯片的工厂。
　　据TrendForce，全球碳化硅、氮化镓功率半导体市场预计2022年将达到18.4亿美元，2025年会进一步增长到52.9亿美元，成长非常迅猛。在今年18.4亿美元的市场中，碳化硅约占16亿美元，氮化镓约占2.5亿美元。
　　跨越46亿年，碳化硅的应用之路
　　据说，碳化硅在天然环境下非常罕见，最早是人们在46亿年前太阳系刚诞生的陨石中，发现了少量这种物质，所以它又被称为＂经历46亿年时光之旅的半导体材料＂。
　　1891年，美国科学家艾奇逊就在做电熔金刚石实验时，偶然发现了一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，后来发现这种碳化物就是碳化硅。然而，对碳化硅的研究却拖后了百年。因为碳化硅晶体生长难度很大，需要在2300 以上进行，生长速度也比较慢，加上过程难以调控、生长多型多、切割难度大等多种问题，对其研究进展一直很缓慢。直到上世纪九十年代初，以Cree为代表的美国等发达国家的公司才在技术上有所突破。
　　三大优势助力碳化硅走向巅峰
　　一直以来，硅是制造半导体芯片最常用的材料，目前90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。究其原因，是硅的储备量大，成本比较低，并且制备比较简单。然而，硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用却受阻，且硅在高频下的工作性能较差，不适用于高压应用场景。这些限制让硅基功率器件已经渐渐难以满足5G基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。
　　在这个背景下，碳化硅走到了聚光灯下。和传统的硅相比。碳化硅的使用极限性能优于硅，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求，当前碳化硅已应用于射频器件及功率器件。
　　碳化硅耐高压。用碳化硅制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，并大大降低器件的导通损耗。所以在实际应用过程中，与硅基相比可以设计成更小的体积，约为硅基器件的1/10。
　　碳化硅耐高温。碳化硅的禁带接近硅的3倍，可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300 ，而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600 以上。同时，碳化硅的热导率比硅更高，高热导率有助于碳化硅器件的散热，在同样的输出功率下保持更低的温度，碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低，有助于实现设备的小型化。
　　碳化硅可以实现高频的性能。碳化硅的饱和电子漂移速率大，是硅的2倍，这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。同时碳化硅衬底材料能量损失更小。
　　碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小，性能越来越好，所以半导体巨头都对它青睐有加。根据ROHM的数据，一款5KW的LLCDC/DC转换器，电源控制板由碳化硅替代硅基器件后，重量从7kg减少到0.9kg，体积从8755cc降低到1350cc。碳化硅器件尺寸仅为同规格硅器件的1/10，碳化硅MOSFET系统能量损失小于硅基IGBT的1/4，这些优势也能够为终端产品带来显著的性能提升。根据CREE的数据，相同的电池下搭载了碳化硅MOSFET的电动车比使用硅基IGBT的电动车续航里程增加了5%~10%。
　　碳化硅迎来＂上车＂好时机
　　随着碳化硅在新能源汽车、充电基础设施、5G基站、工业和能源等应用领域展开，需求迎来爆发增长。从2022年的应用市场看，碳化硅半导体67%将用于汽车，26%将用于工业，其余用于消费和其他领域。其中，新能源汽车是碳化硅器件应用增长最快的市场，预计2022-2026年的市场规模从16亿美元到46亿美元，复合增长率为30%。
　　以国内为例，据国家统计局公布的规模以上工业生产月度数据，今年4月，新能源汽车产量为33万辆，同比增长42.2%，1-4月累计产量为168万辆，同比增长112.7%。新能源汽车市场的高速增长，也让碳化硅迎来＂上车＂好时机。
　　目前，碳化硅器件在新能源汽车上的应用主要包括电机驱动系统逆变器、电源转换系统（车载DC/DC）、电动汽车车载充电系统（OBC）及非车载充电桩等方面。正如前文提到的，基于碳化硅的解决方案使汽车电动系统效率更高、重量更轻、结构更加紧凑，尽管碳化硅器件成本较高，但它推进了电池成本的下降和续航里程的提升，降低了单车成本，无疑是新能源汽车最佳选择。
　　2018年，特斯拉正式扣响了碳化硅上车的＂发令枪＂。特斯拉率先在Model 3电驱主逆变器上，采用了意法半导体供应的650V 碳化硅 MOSFET器件。目前已应用至特斯拉全系车型逆变器上。
　　2020年8月，比亚迪＂汉＂成为启用碳化硅功率模块首款车型。2020年底，比亚迪宣布自研碳化硅芯片，预计到2023年旗下电动汽车将实现碳化硅对硅基IGBT的全面替换。
　　2020年12月，博世宣布，开始量产车用碳化硅功率半导体，博世成为第一家自主制造生产碳化硅器件的汽车组件公司。根据相关报道，截止2021年，博世已在德国Reutlingen晶圆工厂增建1000平方米无尘车间，并预计2023年底新建3000平方米无尘车间，用于碳化硅半导体生产。目前，博世是少数可以自主生产碳化硅芯片的汽车零部件供应商。
　　2021年4月江淮汽车与博世动力总成系统中国区在上海签订了碳化硅逆变器方面的战略协议。
　　2021年8月，吉利汽车宣布采用ROHM碳化硅器件。将利用ROHM的先进碳化硅功率解决方案，开发高效电控系统和车载充电系统，以延长电动汽车的续航里程，降低电池成本并缩短充电时间。
　　前日，蔚来为其下一代电动车选用了安森美的最新VE-TracTM Direct 碳化硅功率模块，两家公司的合作加快了碳化硅技术的商业化进程。
　　碳化硅衬底赛道
　　衬底的制造是产业链技术壁垒最高、价值量最大环节，是未来碳化硅大规模产业化推进的核心。
　　在全球碳化硅衬底市场，Wolfspeed和II-VI公司的市占率分别为45%和13%，在技术方面，Wolfspeed和II-VI已经成功研发出8英寸衬底。
　　Wolfspeed前身为CREE公司，主营业务包括LED、第三代半导体材料/器件、射频、照明产品等，随着功率半导体市场快速增长，逐步剥离其他业务，专注于碳化硅材料及器件领域，碳化硅衬底尺英寸从4英寸扩大到8英寸，2023年计划扩产至约10万片6英寸片月产能。2021年，公司衬底全球市占率超过60%，技术工艺领先，是碳化硅领域的标杆企业。
　　今年3月，II-VI宣布扩产，＂Easton工厂将在未来五年内将II-VI的碳化硅衬底产量至少增加6倍，它还将成为II-VI的200 毫米碳化硅外延片旗舰制造中心，其中之一世界上最大的，＂II-VI执行副总裁Sohail Khan表示。
　　中国本土企业碳化硅衬底总体市占率在10%左右，中国企业主要集中在4英寸和6英寸，虽然起步较晚，研发进度稍慢，但也都在积极布局，与行业龙头差距正在逐渐缩小。＂产学研用＂为国内碳化硅衬底发展的重要推进动力。国内高校和科研单位对碳化硅单晶的研究始发于2000年前后，主要包括中科院物理所、山东大学、上海硅酸盐所、中电集团46所、西安理工大学、西安电子科技大学等。孕育出天科合达、天岳先进等国内碳化硅衬底领先企业。
　　天科合达的全资子公司新疆天科合达蓝光半导体有限公司的碳化硅衬底项目二期预计将于今年6月竣工达产。预计建成后安装100台套单晶生产设备，可达到年产单晶衬底1500锭、单晶原料50吨的规模，年度产值可达6500余万元。
　　天岳先进成立于2010年11月，2022年1月12日在上海证券交易所科创板发行上市，成为国内＂碳化硅第一股＂。天岳先进位于上海临港的上海天岳碳化硅半导体材料项目已被纳入国家布局，且被上海市政府列为2021年、2022年上海市重大建设项目。该项目主要用于生产6英英寸导电型碳化硅衬底材料，满足下游电动汽车、新能源并网、智能电网、储能、开关电源等碳化硅电力电子器件应用领域的广泛需求。目前，该项目已经成功封顶，预计今年三季度全部达产后将新增碳化硅衬底产能约30万片/年，为天岳先进营收的持续增长和未来的长期发展增添新的动能。
　　露笑科技也持续加大研发投入，增强技术创新能力，2021年度研发费用为8088.92万元，同比增长85.17%。截至2021年12月，公司已完成衬底片加工车间建设并投入使用，现已具备年产10万片的产能规模，实现了6英寸衬底片的销售，正处于产能爬坡上升期。2021年11月23日，公司披露定增预案，拟募集资金不超过29.4亿元，用于第三代功率半导体（碳化硅）产业园项目、大尺英寸碳化硅衬底片研发中心项目等。项目完成后，将在安徽省合肥市长丰县形成年产24万片6英英寸导电型碳化硅衬底片的生产能力。
　　碳化硅对产业有着全方位的带动，对所有重视半导体产业的国家意义非凡。在新能源车等新增下游需求的带动下，碳化硅材料及相关器件需求有望迎来爆发式增长。