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作者：畅秋
作为第三代半导体材料的典型代表，碳化硅（SiC）与硅（Si）相比，拥有更加优异的物理和化学特性，使得SiC器件能降低能耗20%以上，减少体积和重量30%~50%，可满足中低压、高压、超高压功率器件制备要求。SiC器件可广泛应用于电动汽车、轨道交通、智能电网、通信雷达和航空航天等领域。
SiC主要用于功率器件制造，与传统硅功率器件制造工艺不同，SiC器件不能直接在SiC单晶材料上制造，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，在外延层上制造器件。
在SiC产业链上，关键部分主要集中在上游，其中，衬底生产成本占总成本的47%，外延片成本占23%，合计占SiC产业链总成本的70%左右。衬底制造技术壁垒很高，价值量最大，既决定了上游原材料制备的方式及相关参数，也决定着下游器件的性能，是SiC大规模产业化推进的关键。SiC衬底方面，6英寸产品已实现商用化，在此基础上，国际大厂都在推8英寸产品，但距离全面商业化还有一段距离。
SiC外延片方面，情况类似，6英寸产品实现商用化，也处在8英寸产品商用推广阶段。SiC功率器件主要应用于新能源汽车、充电桩、工业场景、交通领域等，其中，新能源汽车应用占比最高，市场份额达41.5%，由于SiC是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料，技术也已经趋于成熟，使其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。
目前，SiC器件在EV/HEV上主要用于功率控制单元、逆变器、DC/DC转换器、车载充电器等。此外，光伏+储能也是SiC功率器件的主要应用领域，占比达23.1%。 受汽车应用推动，尤其是EV主逆变器的需求，SiC市场在高速增长，据TrendForce统计，2023年，全球SiC功率器件市场规模约为30.4亿美元。
01、SiC产业格局
按地区划分，亚太是全球最大的SiC消费市场，从企业端来看，美国、欧洲和日本相关企业在SiC行业处于领先位置。全球前五大SiC厂商占有70%左右的市场份额（出货量），这些厂商包括STMicroelectronics（意法半导体）、英飞凌、Wolfspeed、Rohm（罗姆）、Onsemi（安森美）、比亚迪和Mitsubishi Electric（三菱电机）等。
美国的代表企业是Wolfspeed和安森美。Wolfspeed宣布在美国北卡罗来纳州建造一座价值数十亿美元的新工厂，预计2030年完工；还在纽约州建设全球首座8英寸SiC晶圆厂，总投资达到50亿美元。Wolfspeed还在积极强化与下游的合作，例如，与汽车零部件供应商采埃孚合作，投资30亿美元在德国萨尔州建设晶圆厂，此外，还与梅赛德斯-奔驰合作，为其供应SiC器件。
欧洲厂商通过垂直化整合，加大扩产力度，不断强化在该领域的竞争优势。英飞凌宣布投资20多亿欧元，扩大在马来西亚的SiC工厂产能，将在2024下半年投入运营。意法半导体也在大幅提高晶圆产能，计划到2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍。日本的罗姆将投资500亿日元强化SiC生产，日本富士电机也在考虑将SiC产品的投产时间比原计划的2025年提前一年。
最近，TrendForce发布了一份研究报告，据统计，2023年全球SiC功率器件市场保持了强劲增长势头，前五大SiC供应商约占整个市场营收的91.9%，其中，意法半导体以32.6%市占率位居第一，安森美则由2022年的第四名跃居至第二名，市场份额为23.6%，紧随其后的是英飞凌（16.5%）、Wolfspeed（11.1%）、罗姆（8%）。
目前，SiC衬底的主流产品是6英寸的，行业正在向8英寸升级，虽然8英寸衬底的加工成本有所增加，但可以提升芯片产量，8英寸SiC晶圆能够生产的芯片数量约为6英寸的1.8倍，向8英寸转型，是降低SiC器件成本的可行方法。同时，8英寸衬底厚度增加有助于在加工时保持几何形状，减少边缘翘曲度，降低缺陷密度，从而提升良率。
由于采用8英寸衬底能够大幅降低单位综合成本，各大厂商都在积极布局8英寸SiC晶圆。Wolfspeed、英飞凌、博世、安森美等厂商的8英寸晶圆量产时间集中于2024下半年~2026年，其中：Wolfspeed的8英寸产品已公布，预计2024年第二季度产能利用率达20％以上，安森美韩国工厂在2024年正式运行，预计今年产能为去年的1.7倍，2026年产能规划约为80万片，英飞凌表示，今年居林厂开始量产8英寸SiC器件，预计到2027年产能约为80万片，是2023年初的10倍。
由于亚洲，特别是东亚地区是全球SiC器件第一大消费市场，同时，日本和中国的SiC生产商也在全球产业链中扮演着重要角色，因此，下边将着重介绍该地区的SiC器件生产情况。
02、日本的优势：扎实的半导体工艺技术积淀
日本半导体产业和相关企业有长年形成的制造工艺和技术积淀，在发展以SiC为代表的第三代半导体器件方面有其独特优势。
在日本，SiC产业链上的厂商还是比较多的，如罗姆、三菱电机、东芝、富士电机、瑞萨，以及中央硝子（Central Glass）、DISCO等，在全球都有着较强竞争力。罗姆是日本最大的SiC功率器件生产商，并通过其德国子公司SiCrystal生产SiC晶圆。罗姆占据着全球10%的SiC功率器件市场，以及15%-20%的SiC晶圆市场。罗姆计划在2028年前投资5100亿日元发展SiC产业，目标是到2030年SiC晶圆产能相比2021年提高35倍，据悉，到2025年，罗姆SiC产能将提升6.5倍。
今年6月，罗姆子公司SiCrystal宣布，将在德国纽伦堡东北部现有工厂对面扩建厂房。据介绍，新的SiC晶圆厂将额外提供6000平方米的生产空间，并将配备最先进的技术，以进一步优化SiC晶圆的生产。新工厂预计将在2026年初完工，到2027年，SiCrystal的总产能将比2024年增加约3倍。2023年6月，罗姆与德国汽车零件大厂Vitesco Technologies签订了SiC功率器件的长期供应契约，在2024-2030年期间的交易额将超过1300亿日元。2023年7月，罗姆宣布收购太阳能电池生产商Solar Frontier在宫崎县国富町的工厂，计划将该工厂用于扩大SiC功率器件的产能，未来将成为罗姆的主要生产基地。
另一家厂商三菱电机宣布，在2026年3月之前将之前宣布的投资计划翻一番，达到约2600亿日元，主要用于建设新的晶圆厂，以增加SiC功率器件的产能。2023年10月，日本汽车零组件大厂Denso和三菱电机宣布，将分别投资5亿美元，入股美国Coherent（原名II-VI）的SiC业务子公司Silicon Carbide，分别取得 12.5%股权（两家日企合计取得25%股权）。
Silicon Carbide主要从事SiC晶圆等产品的制造，于2023年4月从Coherent公司分拆出来。通过此次投资，Denso和三菱电机可实现6英寸和8英寸SiC晶圆的长期稳定采购，进一步强化用来控制电动车马达的逆变器竞争力。
日本企业中，还有富士通半导体、日立、京瓷、新日本无线电、菲尼泰克半导体、三垦电气、三社电气制造、精工NPC、昭和电工、住友金属矿山等多家涉及SiC衬底和外延片生产。基于日本在半导体材料和设备领域的长年积累，相关企业也将其技术和工艺优势转移到SiC上。
最近，日本中央硝子开发出了利用含有硅和碳的溶液（液相法）来制造SiC衬底的技术。与使用高温下升华的SiC使单晶生长（升华法）的传统技术相比，液相法在增大衬底尺寸和提高品质方面更具优势。该技术可使衬底的制造成本降低10%以上，良率也会大幅度提升。由于利用液相法制备SiC衬底较为复杂，此前该技术一直未应用在实际生产中。中央硝子运用计算化学，通过推算溶液的动态，成功量产出了6英寸SiC衬底。
在此基础上，该公司打算最早于2030年把相关技术扩展到8英寸SiC衬底的生产。为了让客户采用以新技术制作的SiC衬底，中央硝子已开始与欧美大型半导体企业展开商讨。中央硝子最早将于2024年夏天开始向客户提供样品，2027～2028年实现商业化。设备方面，日本晶圆设备制造商DISCO于2023年12月推出了新的SiC晶圆切割设备，可将切割速度提高10倍，首批产品已交付客户。
03、中国厂商给国际大厂加压
目前，中国SiC产业处于不断加速阶段。2023年，中国SiC衬底材料出货89.4万片（折合6英寸晶圆），比2022年的30万片增长297.9%，销售收入为36.5亿元，同比暴涨221.2%。但是，总体来看，中国企业与国外厂商仍有一定差距，特别是在SiC功率器件营收方面，如芯联集成预计其2024年SiC器件营收将增长至10亿，然而，仅意法半导体一家厂商在2023年的SiC营收就达到11.4亿美元（约合人民币82.8亿元）。
在SiC衬底方面，天科合达、山东天岳、山西烁科、河北同光、广州南砂、晶盛机电等厂商已实现批量生产（或小批量生产）。其中，天科合达去年产能已达16万片6英寸SiC晶圆，今年将开始生产8英寸产品，山东天岳预计到2026年，产能将达到30万片6英寸晶圆。
Yole报告显示，在2023年全球导电型SiC衬底材料市场占有率排行中，天科合达以18%的市场份额超过美国Coherent（16%），跃居全球第二，不过仍低于WolfSpeed的33%。山东天岳则以14%的市场份额排名第四。SiC外延片方面，东莞天域、瀚天天成、三安光电、河北普兴、中电化合物等厂商已实现量产出货，2023年SiC外延片产能达400多万片。
SiC器件方面，芯联集成、士兰微、积塔半导体、基本半导体、泰科天润、闻泰科技、扬杰科技、东微半导等企业的SiC功率器件和模块营收持续提升。
目前，中国本土SiC衬底厂商已经具备优秀的6英寸产品量产水平，还在与欧美IDM大厂共同开发8英寸SiC技术，例如，天科合达、天岳与英飞凌合作，由天科合达、天岳提供6英寸SiC衬底材料给英飞凌进行晶圆加工，后续将共同向8英寸SiC晶圆技术过渡；三安光电与意法半导体达成合作，在重庆合资建8英寸SiC晶圆厂。
中国电动车市场的庞大需求给SiC供应链提供了足够的增长空间，也给国际大厂造成了不小的压力。由于中国企业产能大幅扩张，SiC衬底价格的下滑速度远超过市场扩张速度。业内人士表示，中国6英寸SiC晶圆代工价格，已降至每片1200~1800美元，比两年前每片4000美元左右的价格大幅下降。
2023年，全球SiC衬底供应量为170万片，天科合达当年产能估计达16万片6英寸晶圆，今年开始生产8英寸SiC晶圆。山东天岳计划到2026年，产能将达到30万片6英寸晶圆。 2023年初，6英寸SiC衬底价格还在1000美元左右，现在只有500多美元。不过，业内人士认为，中国的价格竞争已达极限，因为价格再往下降，中国厂商也无利可图。
