第三代半導體材料－碳化矽晶圓，2024中國產或將佔全球50%份額！

根據《科創板日報》10月24日消息，晶片大廠三安光電宣布，旗下子公司湖南三安8吋碳化矽基板已完成開發，產品進入小批量生產及送樣階段。

消息一公佈很快就得到市場的回饋，10月25日三安光電股票馬上跳漲1.94%。之所以大漲在於涉及一個關鍵因素──碳化矽！

熟悉半導體產業的，知道碳化矽被稱為“第三代半導體材料”，也是最近幾年半導體產業異常火熱的小風口。今天就跟大家一起詳細探討碳化矽。

一、為什麼碳化矽是第三代半導體材料

碳化矽（SiC）是由矽（Si）和碳（C）組成的化合物半導體材料。其結合力非常強，在熱、化學、機械方面都非常穩定。SiC存在各種多型體（多晶型體），它們的物理特性值各有不同。4H-SiC最適用於功率元件。

碳化矽作為第三代半導體材料的典型代表，也是目前晶體生產技術和裝置製造水準最成熟，應用最廣泛的寬禁帶半導體材料之一，目前已經形成了全球的材料、裝置和應用產業鏈。

二、第一代到第三代半導體材料

根據半導體材料的能隙寬度，可分為三代：

第一代半導體：以矽（Si）為代表，能隙寬度約為1.1電子伏特（eV），適用於低壓低頻的場合，如微處理器、記憶體等。

第二代半導體：以砷化鎵（GaAs）為代表，能隙寬度約1.4 eV，適用於中壓中頻的場合，如雷射、太陽能電池等。

第三代半導體：以碳化矽（SiC）為代表，能隙寬度大於2eV，適用於高壓高頻的場合，如功率元件、射頻元件等。

三、碳化矽的主要優勢

第三代半導體碳化矽相比於前兩代，主要有以下優點：

1.高能隙：能隙寬度為3.26eV，是矽的3倍，可以承受高達10kV的電壓，適合高壓場合；從而提高了半導體的耐壓性和穩定性。

2.高熱導率：熱導率為4.9 W/cm·K，是矽的3倍，可以有效地將熱量從晶片內部傳導到外部，適合高溫場合；有效降低了散熱系統的成本和複雜度。

3.高電子飽和漂移速率：電子飽和漂移速率為2.7×10^7cm/s，是矽的2倍，可實現高頻開關和低導通損耗，適合高頻場合；因而提高了半導體的效率和頻寬。

隨著半導體製程要求越來越高，穩定性、降低散熱成本、提高效率，這正是目前第一、二代半導體矽和砷化鎵亟待優化解決的問題。因此，碳化矽作為第三代半導體實至名歸。

四、碳化矽主要應用領域

碳化矽由於其優異的物理特性，被廣泛應用於高溫、高功率、高壓、高頻等領域，如：

電動車：碳化矽可用於電動車的電力轉換器、充電器、逆變器等零件，提高了能量轉換效率和續航里程，降低了體積和重量。

通訊：碳化矽可用於通訊基地台的射頻功率放大器、濾波器等零件，提高了訊號品質和覆蓋範圍，降低了乾擾和功耗。

能源：碳化矽可用於風力發電、太陽能發電、智慧電網等領域的功率變換器、開關等零件，提高了再生能源的利用率和穩定性，降低了成本和污染。

工業：碳化矽可用於工業驅動、焊接、雷射切割等領域的功率模組、整流橋等零件，提高了設備的性能和可靠性，降低了維護和故障率。

五：中國碳化矽產業應用與發展

隨著新能源汽車、光伏、儲能、充電樁等下游市場的快速爆發，中國的碳化矽（SiC）功率元件市場規模正在迅速擴大。

從產業鏈來看，碳化矽（SiC）產業鏈條較長，涉及基板、外延、裝置設計、裝置製造和封測等一系列環節，其中，碳化矽基板和外延片的價值佔超過一半，基板成本最大，佔比達47%；其次是外延成本佔比為23%，成為決定碳化矽元件品質的關鍵。

根據TrendForce集邦諮詢統計，以2022年應用結構來看，光伏儲能為中國碳化矽（SiC）市場最大應用場景，佔比約38.9%，接續為汽車、工業以及充電樁等。當然，汽車市場作為未來發展主軸，即將超越光伏儲能應用，其市佔率至2026年可望攀升至60.1%。

2023年，中國化合物半導體產業實現歷史性突破。先前中國碳化矽材料僅佔全球約5%的產能，然而業界樂觀預計，2024年中國碳化矽晶圓在全球的佔比可望達到50%。

天嶽先進、天科合達、三安光電等公司均斥資提高碳化矽晶圓/基板產能，目前這些中國企業每月的總產能約為6萬片。隨著各公司產能釋放，預計2024年月產能將達12萬片，年產能150萬片。

根據產業消息和市調機構的統計，此前天嶽先進、天科合達合計佔據全球5%的市場份額，而全球四大碳化矽領先廠商的份額要大得多，其中Wolfspeed佔比60% ， Coherent佔15%，羅姆電子佔13%，SK Siltron佔5%。

業界稱，先前不少海外研究機構對中國企業的製造能力表示懷疑，然而近期博世、意法半導體、英飛凌等都與中國企業簽訂碳化矽合約，足以證明中國在供應鏈中的地位快速提升。

今年5月，天嶽先進、天科合達兩大廠商均在其官微宣布，與國際半導體大廠英飛凌簽訂了供貨協議。根據協議，天科合達和天嶽先進將為英飛凌供應用於生產SiC半導體的6英寸（150mm）碳化矽晶圓和晶錠，兩家企業的供應量均將占到英飛凌未來長期預測需求的兩位數份額。未來也將提供200mm直徑碳化矽材料，協助英飛凌向200mm直徑晶圓的過渡。

今年6月，義法半導體在官網宣布，將同三安光電在中國重慶建立一個新的8吋碳化矽元件合資製造廠。新的SiC製造廠計劃於2025年第四季開始生產，預計2028年全面落成，屆時將更能支持中國的汽車電氣化、工業電力和能源等應用日益增長的需求。同時，三安光電將利用自有SiC襯底工藝，單獨建造和運營一個新的8英寸SiC襯底製造廠，以滿足該合資廠的襯底需求。

分析師表示，目前全球市場主要使用150mm碳化矽晶圓，預計2024年隨著製造商的擴產，產品價格將明顯下滑，這將給競爭力較弱的製造商帶來挑戰。

根據TrendForce諮詢先前研究，從產業結構來看，中國的SiC功率半導體產值以功率元件業(包含Fabless、IDM以及Foundry)佔比最高，達42.4%，接續為襯底片製造業及外延片製造業。

對於碳化矽（SiC）基板及外延材料環節，中國廠商已逐漸贏得海外領先業者的認可，尤其體現在外延片環節。須留意的是，在碳化矽（SiC）晶體厚度與一致性指標上，本土廠商仍需付出諸多努力，以期實現在汽車電驅系統等更多高端場景中的應用。目前中國正展開大規模的SiC材料擴產行動，預估2023年中國N-Type SiC襯底產能(折合6吋)可達1020Kpcs，其中以天科合達份額續居首位。

如今，無論是上游材料、晶圓代工廠、裝置、封裝，國內在碳化矽（SiC）的各個細分供應鏈環節都已有玩家在積極參與。但目前海外廠商在碳化矽領域仍佔先發優勢，國內企業仍在起步階段，技術不斷追趕同時產能尚在爬坡。雖然市場產銷兩旺，但中國碳化矽功率元件仍處於早期階段，如何降低成本、穩定品質、提升良率，是國產碳化矽功率半導體大規模應用的關鍵。

因此，2023年中國襯底材料產業競爭格局將會是多面向共同發展，競爭將更加激烈且更加複雜。研發能力強、生產設備尖端，優質企業實力逐漸提升等將是未來競爭的關鍵因素。（飆叔科技洞察）