碳化硅襯底行業(yè)市場應(yīng)用規(guī)模監(jiān)測調(diào)查分析與投資戰(zhàn)略咨詢預(yù)測

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（1）碳化硅襯底的尺寸演進(jìn)：碳化硅襯底的尺寸（按直徑計(jì)算）主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）等規(guī)格。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)產(chǎn)品尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技術(shù)研發(fā)儲備上，以行業(yè)領(lǐng)先者科銳公司的研發(fā)進(jìn)程為例，科銳公司已成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品。

科銳公司碳化硅襯底尺寸演進(jìn)分析

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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。在半絕緣型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為4英寸。在導(dǎo)電型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為6英寸。

中金企信國際咨詢公布的《2022-2028年碳化硅襯底行業(yè)全景深度分析及投資戰(zhàn)略可行性評估預(yù)測報告》

（2）碳化硅襯底市場規(guī)模和發(fā)展態(tài)勢：

根據(jù)中金企信統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用于氮化鎵外延的半絕緣型碳化硅襯底市場規(guī)模取得較快增長，全球市場規(guī)模由2019年的1.54億美元增長至2020年1.82億美元，增幅達(dá)17.88%。得益于5G基站建設(shè)和雷達(dá)下游市場的大量需求，至2023年，半絕緣型碳化硅襯底市場將保持快速增長。

根據(jù)中金企信統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模取得較快增長，2018年至2020年，全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場規(guī)模從1.73億美元增長至2.76億美元，復(fù)合增長率為26.36%。受益于碳化硅功率器件在電動汽車等下游應(yīng)用的增長，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場未來將快速發(fā)展。

相對硅片全球市場規(guī)模已達(dá)上百億美元，碳化硅襯底的全球市場銷售額仍較小，主要系碳化硅行業(yè)供給側(cè)成本仍較高，制約了目前的市場購買力和需求的釋放。未來，隨著碳化硅襯底和器件制造行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，制造成本有望持續(xù)下降，碳化硅器件和系統(tǒng)有望顯示出競爭力并在下游行業(yè)得到廣泛應(yīng)用并快速發(fā)展，從而帶動整體需求和市場規(guī)模的快速發(fā)展。

（3）碳化硅半導(dǎo)體行業(yè)的戰(zhàn)略意義：碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點(diǎn)，具有開關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢，可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積。目前，碳化硅半導(dǎo)體主要應(yīng)用于以5G通信、國防軍工、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場前景。同時，我國“十二五”、“十三五”及“十四五”規(guī)劃均已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求的戰(zhàn)略性行業(yè)。全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體行業(yè)目前總體處于發(fā)展初期階段，相比硅和砷化鎵等半導(dǎo)體而言，在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域我國和國際巨頭公司之間的整體技術(shù)差距相對較小。另外，由于寬禁帶半導(dǎo)體的下游工藝制程具有更高的包容性和寬容度，下游制造環(huán)節(jié)對設(shè)備的要求相對較低，投資額相對較小，制約寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵之一在上游材料端。因此，我國若能在寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)上游襯底材料行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破，將有望在半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)換道超車。

（4）碳化硅半導(dǎo)體行業(yè)在新技術(shù)方面近年來的發(fā)展情況與未來發(fā)展趨勢：

1、碳化硅單晶制備技術(shù)：碳化硅襯底制備技術(shù)包括PVT法（物理氣相傳輸法）、溶液法和高溫氣相化學(xué)沉積法等，目前商用碳化硅單晶生長均采用PVT法。PVT法制備碳化硅單晶的難度在于：

①碳化硅單晶生長設(shè)備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。碳化硅長晶爐是晶體制備的載體，也是晶體生長核心技術(shù)中的熱場和工藝的重要組成部分。針對不同尺寸、不同導(dǎo)電性能的碳化硅單晶襯底，碳化硅長晶爐需要實(shí)現(xiàn)高真空度、低真空漏率等各項(xiàng)性能指標(biāo)，為高質(zhì)量晶體生長提供適合的熱場實(shí)現(xiàn)條件。

②碳化硅粉料合成過程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成Si/C比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制。

③碳化硅單晶在2,300°C以上高溫的密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過程，生長周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。

④碳化硅單晶包括200多種不同晶型，但生產(chǎn)一般僅需一種晶型，生長過程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變造成多型夾雜缺陷，制備過程中單一特定晶型難以穩(wěn)定控制，例如目前主流的4H型。

⑤碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長過程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯、層錯等缺陷。

⑥碳化硅單晶生長過程中需要嚴(yán)格控制外部雜質(zhì)的引入，從而獲得極高純度的半絕緣晶體或定向摻雜的導(dǎo)電型晶體。對于射頻器件使用的半絕緣碳化硅襯底，電學(xué)性能需要通過控制晶體中極低的雜質(zhì)濃度及特定種類的點(diǎn)缺陷來實(shí)現(xiàn)。

⑦碳化硅襯底作為莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料，加工過程中存在易開裂問題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問題；為了達(dá)到下游外延開盒即用的質(zhì)量水平，需要對碳化硅襯底表面進(jìn)行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并達(dá)到嚴(yán)苛的金屬、顆?？刂埔蟆?/span>

碳化硅襯底及下游外延、器件成本降低的需求驅(qū)動碳化硅制備技術(shù)往更大的晶體尺寸、更優(yōu)的襯底質(zhì)量、更高的生長速率發(fā)展。

中金企信國際咨詢公布的《2022-2028年碳化硅半導(dǎo)體行業(yè)市場競爭格局調(diào)查分析及發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃評估預(yù)測報告》

2、碳化硅襯底制備技術(shù)水平發(fā)展?fàn)顩r及未來發(fā)展趨勢：

①擴(kuò)大襯底尺寸的技術(shù)要求：襯底直徑是衡量晶體制備水平的重要指標(biāo)之一，也是降低下游芯片制備成本的重要途徑。擴(kuò)徑技術(shù)，即如何從小尺寸碳化硅單晶制備出更大尺寸的碳化硅單晶。

導(dǎo)電型碳化硅襯底以6英寸為主，8英寸襯底開始發(fā)展；半絕緣碳化硅襯底以4英寸為主，目前逐漸向6英寸襯底發(fā)展。6英寸襯底面積為4英寸襯底的2.25倍，相同的晶體制備時間內(nèi)襯底面積的倍數(shù)提升帶來襯底成本的大幅降低，與此同時，單片襯底上制備的芯片數(shù)量隨著襯底尺寸增大而增多，單位芯片的成本也即隨之降低。

隨著尺寸的增大，碳化硅單晶擴(kuò)徑技術(shù)的要求越來越高。擴(kuò)徑技術(shù)需要綜合考慮熱場設(shè)計(jì)、擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、晶體制備工藝設(shè)計(jì)等多方面的技術(shù)控制要素，最終實(shí)現(xiàn)晶體迭代擴(kuò)徑生長，從而獲得直徑達(dá)標(biāo)的高質(zhì)量籽晶，繼而實(shí)現(xiàn)后續(xù)大尺寸籽晶的連續(xù)生長。

②改進(jìn)電學(xué)性能：

A、半絕緣型碳化硅襯底的高電阻率：半絕緣襯底制備工藝主要通過去除晶體中的各種雜質(zhì)，特別是淺能級雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)晶體的本征高電阻率。由于PVT法制備碳化硅襯底的高溫物理?xiàng)l件下，生長反應(yīng)腔室內(nèi)的碳化硅粉料、石墨材料等都會釋放出雜質(zhì)并生長進(jìn)入晶體中，從而影響晶體的純度和電學(xué)性能。同時為了保證純度，制備所需的關(guān)鍵反應(yīng)物料的純度要求也較高。

隨著半絕緣型碳化硅襯底制備技術(shù)發(fā)展，使得碳化硅襯底純度、晶體質(zhì)量和電阻率不斷提高，從而為器件性能的提升奠定了材料基礎(chǔ)。目前，半絕緣型碳化硅襯底領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)普遍將電阻率穩(wěn)定控制在108Ω·cm以上。

B、導(dǎo)電型碳化硅襯底的低電阻率：導(dǎo)電型襯底要求實(shí)現(xiàn)更低的電阻率，可通過在晶體生長過程中引入氮元素，呈現(xiàn)低阻電學(xué)性能。目前，國際領(lǐng)先的碳化硅企業(yè)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底電阻率在0.015-0.028Ω·cm之間，相應(yīng)器件性能提升的需求則往往對襯底電阻率提出更嚴(yán)苛的要求。

導(dǎo)電型碳化硅晶體的電阻率會存在分布不均勻的情況，具體表現(xiàn)為：徑向上的電阻率呈現(xiàn)為中心電阻率值低、邊緣電阻率值高的特點(diǎn)，軸向上則呈現(xiàn)出生長前期低、后期高的特征。由于電阻率直接影響器件的導(dǎo)通特性，因此，獲得低阻值、襯底面內(nèi)電阻率徑向分布均勻、不同襯底間電阻率值一致的導(dǎo)電襯底是實(shí)現(xiàn)功率器件性能優(yōu)異的技術(shù)需求。

③降低微管密度：碳化硅晶體中最重要的結(jié)晶缺陷之一是微管，微管是延伸并貫穿整個晶棒的中空管道。微管的存在對于器件的應(yīng)用是致命的，襯底中的微管存在的密度將直接決定外延層的結(jié)晶質(zhì)量，器件區(qū)存在微管時將導(dǎo)致器件過高的漏電流甚至器件擊穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要技術(shù)方向。

隨著微管缺陷改進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國際領(lǐng)先的碳化硅企業(yè)可以將微管密度穩(wěn)定地控制在1cm-2以下。

（5）碳化硅半導(dǎo)體行業(yè)在新產(chǎn)業(yè)方面近年來的發(fā)展情況與未來發(fā)展趨勢：2018年，中央經(jīng)濟(jì)工作會議重新定義了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，把5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)定義為“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，即“新基建”。2020年以來，我國加快“新基建”建設(shè)力度，明確新基建涉及“5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等七大領(lǐng)域。

隨著5G基站建設(shè)、電動汽車、充電樁、特高壓、城際高速鐵路等行業(yè)發(fā)展，半導(dǎo)體器件的性能也需要持續(xù)提升，即更高的工作電壓、更高的工作頻率、更高的效率、更高的工作溫度、更強(qiáng)的散熱能力和更高的可靠性。目前，我國在5G通信、電動汽車等新興產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模等方面都處于國際優(yōu)勢地位，將促進(jìn)我國上游半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步提高國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在國際市場的影響力，尤其對碳化硅器件將產(chǎn)生巨大的需求。

（6）碳化硅半導(dǎo)體行業(yè)在新業(yè)態(tài)、新模式方面近年來的發(fā)展情況與未來發(fā)展趨勢：目前，碳化硅行業(yè)企業(yè)的業(yè)態(tài)主要可以分為兩種商業(yè)模式：第一類是覆蓋較全的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，例如同時從事碳化硅襯底、外延及器件的制作，例如科銳公司等；第二類是只從事產(chǎn)業(yè)鏈的單個或者部分環(huán)節(jié)，例如貳陸公司等。公司目前采用第二類商業(yè)模式，聚焦碳化硅襯底材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

（1）碳化硅市場需求旺盛，全球迎來擴(kuò)產(chǎn)潮：

隨著碳化硅器件在5G通信、電動汽車、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等行業(yè)的應(yīng)用，碳化硅器件市場需求迅速增長，全球碳化硅行業(yè)呈現(xiàn)產(chǎn)能供給不足的情況。為了保證襯底供給，滿足以電動汽車為代表的客戶未來的增長需求，各大廠商紛紛開始擴(kuò)產(chǎn)。2019年有6家國際巨頭宣布了12項(xiàng)擴(kuò)產(chǎn)，主要為襯底產(chǎn)能的擴(kuò)張，其中最大的項(xiàng)目為科銳公司投資近10億美元的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，分別在北卡羅來納州和紐約州建造全新的可滿足車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)的8英寸功率和射頻襯底制造工廠。

隨著下游市場的超預(yù)期發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈的景氣程度有望持續(xù)向好，碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)也將直接受益于行業(yè)發(fā)展。

（2）碳化硅器件成本降低，行業(yè)應(yīng)用的替代前景向好：2019年是碳化硅產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵年份。與同類硅基產(chǎn)品相比，雖然碳化硅基器件價格仍然較高，但是由于其優(yōu)越的性能及價格持續(xù)走低，其綜合成本優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，客戶認(rèn)可度持續(xù)提高。

行業(yè)正在通過多種措施降低碳化硅器件成本：在襯底方面，通過增大碳化硅襯底尺寸、升級制備技術(shù)、擴(kuò)大襯底產(chǎn)能等，共同推動碳化硅襯底成本的降低；

在制造方面，隨著市場的開啟，各大器件供應(yīng)商擴(kuò)產(chǎn)制造，隨著規(guī)模擴(kuò)大和制造技術(shù)不斷成熟，也帶來制造成本的降低；在市場方面，主要的產(chǎn)品供應(yīng)商與大客戶通過簽訂長期合作合同對市場進(jìn)行鎖定，供需雙方共同推進(jìn)市場滲透并形成良性循環(huán)。未來碳化硅器件的價格有望持續(xù)下降，其行業(yè)應(yīng)用將快速發(fā)展。

（3）國外對寬禁帶半導(dǎo)體實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)，自主可控勢在必行：由于寬禁帶半導(dǎo)體的軍事用途使得國外對中國實(shí)行技術(shù)禁運(yùn)和封鎖，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展對核心技術(shù)國產(chǎn)自主化、實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈安全可控提出了迫切的需求。自主可控趨勢加速了寬禁帶半導(dǎo)體器件的國產(chǎn)化替代進(jìn)程，為寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)帶來了發(fā)展新機(jī)遇。在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域，下游應(yīng)用企業(yè)已在調(diào)整供應(yīng)鏈，支持國內(nèi)企業(yè)。數(shù)家國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體企業(yè)的上中游產(chǎn)品陸續(xù)獲得了下游用戶驗(yàn)證機(jī)會，進(jìn)入了多個關(guān)鍵廠商供應(yīng)鏈，逐步開始了以銷促產(chǎn)的良性發(fā)展。

（4）積極的寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策：近年來從國家到地方相繼制定了一系列產(chǎn)業(yè)政策來推動寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2016年11月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出加快制定寬禁帶半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)布局，促進(jìn)新材料產(chǎn)品品質(zhì)提升；2016年12月，工信部等四部門聯(lián)合印發(fā)《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，提出面向智能輸變電裝備領(lǐng)域，突破大尺寸碳化硅單晶及襯底、外延制備及模塊封裝材料技術(shù)；2020年8月，國務(wù)院印發(fā)《新時期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，提出聚焦高端芯片、集成電路裝備等關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，在新一代半導(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域推動各類創(chuàng)新平臺建設(shè)；2021年3月，十三屆全國人大四次會議通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，提出要大力發(fā)展碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。此外，上海、廣東、湖南、山東等多省市均出臺了相關(guān)政策支持碳化硅等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

我國寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展契機(jī)，有助于我國寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)水平的提高和規(guī)模的快速發(fā)展。