國內(nèi)碳化硅襯底面臨盈利困難 2023碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用場景

• 黃江 2023年3月13日 來源：新浪 246 8
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由于東尼電子半導(dǎo)體業(yè)務(wù)全部為碳化硅襯底，據(jù)此計算，公司碳化硅襯底每片單價為4001.33元，每片單位成本為4873.82元。

第三代半導(dǎo)體興起于 21 世 紀，與前兩代半導(dǎo)體材料相比，以 SiC 與 GaN 為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁 帶(>2.3eV)、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力。 同時，SiC 材料更有效克服了資源稀缺、毒性、環(huán)境污染等問題，在高壓、高頻、高溫、 高功率等領(lǐng)域具有更強的適用性。碳化硅襯底占碳化硅器件成本的一半，是第三代半導(dǎo)體中最核心的環(huán)節(jié)之一，而這一環(huán)節(jié)目前正面臨盈利難的問題。

國內(nèi)碳化硅襯底面臨盈利困難

近日，碳化硅襯底生產(chǎn)企業(yè)東尼電子(603595.SH)發(fā)布2022年年報，揭開了國內(nèi)碳化硅襯底項目運行的經(jīng)濟賬。

年報顯示，2022年，東尼電子半導(dǎo)體業(yè)務(wù)營收1676.56萬元，營業(yè)成本2042.13萬元，毛利率為-21.81%。公司2022年生產(chǎn)碳化硅襯底6750片，銷售碳化硅襯底4190片。

由于東尼電子半導(dǎo)體業(yè)務(wù)全部為碳化硅襯底，據(jù)此計算，公司碳化硅襯底每片單價為4001.33元，每片單位成本為4873.82元。

此前東尼電子曾披露，2022年9月，子公司東尼半導(dǎo)體與下游客戶簽訂《采購合同》，約定東尼半導(dǎo)體向該客戶交付6寸碳化硅襯底2萬片，含稅銷售金額合計人民幣1億元。據(jù)此計算，東尼電子碳化硅襯底每片單價(不含稅)為4273.5元。也就是說，目前東尼電子碳化硅襯底的實際銷售平均價格略低于合同約定價格。

量產(chǎn)良率偏低和銷售價格低于預(yù)期是導(dǎo)致東尼電子虧本賣碳化硅襯底的兩大原因。

碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用場景

三代半導(dǎo)體材料在特定的應(yīng)用場景中存在各自比較優(yōu)勢。硅基半導(dǎo)體材料由于儲量豐 富、價格低的特點，目前是產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品為 硅基，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中;砷化鎵半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用 于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的關(guān)鍵襯底材料;對于工作頻段更高、 輸出功率要求更高的器件，第三代半導(dǎo)體是更好的選擇，主要應(yīng)用于 5G 通信、國防和新 能源汽車領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體主要包括 SiC、氮化物、氧化物和金剛石等。其中，SiC 和 GaN 是第三代半導(dǎo)體中應(yīng)用最廣的兩類材料，兩者工藝最為成熟，且在產(chǎn)業(yè)化上推進最快。

GaN 與 SiC 這兩種寬禁帶半導(dǎo)體材料間也存在明顯差異。(1)二者的適用電壓不同 因而目標應(yīng)用也不同：SiC 適用的電壓范圍為 650 V-3.3 kV，是 1200 V 以上的高頻器件, 同時兼有功率密度高的特點。因此，SiC 在太陽能逆變器、新能源汽車充電、軌道交通、 燃料電池中的高速空氣壓縮機、DCDC 、電動汽車電機驅(qū)動、數(shù)字化趨勢下的數(shù)據(jù)中心等 領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。相比 SiC，GaN 的適用電壓范圍更低，一般從中壓 80 V 到 650 V。 (2)二者在熱導(dǎo)率上的較大差異，使得 SiC 在高功率應(yīng)用中幾乎占據(jù)統(tǒng)治地位：由于 SiC 的熱導(dǎo)率是 GaN 的近 4 倍，高熱導(dǎo)率有助于功率器件的散熱，在同樣的輸出功率下可以 保持更低的溫度，從而有效避免半導(dǎo)體器件在高溫下因出現(xiàn)載流子的本征激發(fā)，而導(dǎo)致器 件失效。而且，材料更高的熱導(dǎo)率會使得器件對散熱設(shè)計的要求更低，從而助力設(shè)備的小 型化。(3)高電子遷移率和電子飽和速度讓 GaN 在高頻率應(yīng)用中更占優(yōu)：GaN 相比 Si 和 SiC 更高的電子遷移率和電子飽和速度另其具有更高的開關(guān)速度(可達 MHz 級)，因而 在開關(guān)頻率最高的中等功率應(yīng)用(如快充等)中更具優(yōu)勢。此外，在光電子領(lǐng)域，GaN 在 Micro-LED、深紫外 LED 等熱門賽道同樣表現(xiàn)優(yōu)異。當然，SiC 和 GaN 在應(yīng)用端各具優(yōu) 勢的同時，亦能有效合作：在微波射頻領(lǐng)域，通過在半絕緣 SiC 襯底上外延生長氮化鎵， 可以制備 SiC 基 GaN-HEMT。這是現(xiàn)今制造 5G 基站功率放大器最重要的材料。

整體上 SiC 的商用更加成熟，而 GaN 市場則處于起步階段。從 2010 年 IR 發(fā)布業(yè)界 第一款硅基 GaN 開關(guān)器件到現(xiàn)在，業(yè)界對 GaN 的研究已經(jīng)深入了很多，但真正大規(guī)模的 應(yīng)用仍局限于最近數(shù)年。相比 GaN 市場，從 1970 年代便開始功率器件的研發(fā)，1980 年 代晶體質(zhì)量和制造工藝獲得大幅改進，90 年代末開始加速發(fā)展的 SiC 市場，運行的時間 要長得多，現(xiàn)存器件數(shù)量要大得多，也因而更為成熟。根據(jù) Yole 的測算(轉(zhuǎn)引自新材料在 線)，截至 2021 年，全球半導(dǎo)體材料市場，GaN 的滲透率僅 0.17%，而 SiC 的滲透率為 1.98%。本文的后續(xù)研究將聚焦于 SiC 行業(yè)。

根據(jù)中研普華研究院《2022-2026年中國碳化硅行業(yè)競爭格局及發(fā)展趨勢預(yù)測報告》顯示：

碳化硅半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工序主要包括碳化硅高純粉料、單晶襯底、外延片、功率器件、 模塊封裝和終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)。碳化硅高純粉料是采用 PVT 法生長碳化硅單晶的原料，其 產(chǎn)品純度直接影響碳化硅單晶的生長質(zhì)量以及電學(xué)性能。單晶襯底是半導(dǎo)體的支撐材料、 導(dǎo)電材料和外延生長基片。外延是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶 向相同的單晶薄膜的碳化硅片或者氮化鎵外延層。

2023年開始，碳化硅(SiC)半導(dǎo)體在電動汽車(EV)牽引逆變器的設(shè)計上取得了兩項重大勝利。牽引逆變器位于電動汽車的高壓電池和電動馬達之間，將電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為電動汽車馬達使用的交流電。

首先，2023年1月4日，onsemi宣布其SiC模塊將為起亞的EV6 GT車型的牽引逆變器提供動力，實現(xiàn)從800V的直流電池到后軸的交流驅(qū)動的高效電力轉(zhuǎn)換。值得一提的是，2022年12月，意法半導(dǎo)體宣布其SiC模塊已被納入現(xiàn)代汽車的電動-全球模塊平臺(E-GMP)，起亞的EV6和其他幾個車型共享。

接下來，在2023年1月10日，于2010年開始大規(guī)模生產(chǎn)SiC MOSFET的羅姆半導(dǎo)體公司宣布，其SiC MOSFET和門驅(qū)動器IC將為日本的汽車零部件供應(yīng)商日立Astemo公司開發(fā)的電動汽車逆變器提供動力。柵極驅(qū)動器IC是電動車逆變器的一個重要組成部分，它在逆變器控制微控制器(MCU)和向逆變器供電的SiC MOSFET之間提供一個接口。門驅(qū)動IC在低壓域中接收來自MCU的控制信號，并將這些信號傳遞給高壓域中的功率器件，使其快速開啟和關(guān)閉。

SiC半導(dǎo)體正在電動車系統(tǒng)中獲得大規(guī)模應(yīng)用，如DC/DC轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和車載充電器(OBC)。本文將解釋SiC半導(dǎo)體和模塊是如何重振牽引逆變器的，這是汽車電氣化的一個基本組成部分。根據(jù)Research and Markets的數(shù)據(jù)，到2028年，全球牽引逆變器行業(yè)預(yù)計將達到390億美元。

碳化硅在800V系統(tǒng)的逆變器中的應(yīng)用

雖然將典型的400-V電池的電壓翻倍給電動汽車帶來了巨大的好處，但對于依靠硅(Si)MOSFETS和IGBT的電動汽車逆變器來說，在更高的電壓下性能會受到影響。因此，汽車設(shè)計師正在用SiC取代傳統(tǒng)的Si功率器件，SiC是一種寬帶隙半導(dǎo)體，可以實現(xiàn)更快的開關(guān)，并能在更高的溫度下工作。與硅器件相比，SiC器件更小，可以處理更高的工作電壓。

以汽車解決方案供應(yīng)商德爾福科技公司為例，該公司在轉(zhuǎn)向800V電池系統(tǒng)時，在電動汽車逆變器中采用了Wolfspeed公司的SiC MOSFET。這使得德爾福能夠開發(fā)出比競爭對手的逆變器技術(shù)輕40%、緊湊30%的逆變器。

《2022-2026年中國碳化硅行業(yè)競爭格局及發(fā)展趨勢預(yù)測報告》由中研普華研究院撰寫，本報告對該行業(yè)的供需狀況、發(fā)展現(xiàn)狀、行業(yè)發(fā)展變化等進行了分析，重點分析了行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、如何面對行業(yè)的發(fā)展挑戰(zhàn)、行業(yè)的發(fā)展建議、行業(yè)競爭力，以及行業(yè)的投資分析和趨勢預(yù)測等等。報告還綜合了行業(yè)的整體發(fā)展動態(tài)，對行業(yè)在產(chǎn)品方面提供了參考建議和具體解決辦法。

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