英寸衬底加速布局，单位成本三年近乎减半

前言：【核芯观察】是电子发烧友编辑部出品的深度系列专栏，目的很明确——以最直观的方式帮助读者看清电子产业架构，理清上、中、下游各环节，同时快速掌握各大细分领域的行业现状。我们计划对集成电路、分立器件、传感器、光电器件等半导体产业链上下游逐一梳理。眼下大家最为关注、也最困惑的，莫过于第三代半导体，所以这次我们先从这里入手。

三、SiC产业趋势

1. SiC的应用趋势：逐步取代传统硅基功率器件

传统硅基半导体受自身物理特性限制，在高温、高压、高频、高功率等场景下表现不佳。加之摩尔定律逐渐触及瓶颈，砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体便应运而生。

SiC的耐高压能力是硅的10倍，耐高温能力是硅的2倍，高频能力同样是硅的2倍。与硅基模块相比，由碳化硅二极管和开关管组成的全碳模块，不仅继承了材料本身的优势，应用时还能将模块体积缩小50%以上，电子转换损耗降低80%以上。不仅如此——系统设计时，散热系统可简化，热预算降低，电容和电感的体积也能随之减小，综合成本自然下降。

根据电阻率的不同，SiC衬底可分为两大类：导电型（电阻率15~30mΩ·cm）和半绝缘型（电阻率≥10⁵Ω·cm）。导电型SiC衬底（配合碳化硅外延）主要用于制造耐高温、耐高压的功率器件，目前广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域，市场规模较大。半绝缘型SiC衬底（配合氮化镓外延）则多用于微波射频器件，例如5G通信中的功率放大器、国防领域的无线探测器等。随着5G网络加速建设，该市场需求也明显提升。

图源：天岳先进

硅基IGBT曾长期主导高压高电流场景，而硅基MOSFET效率远低于IGBT，只能用于低压领域。但硅基IGBT也有明显短板——难以承受高频工况，且功耗较大。SiC则不同，耐高压耐高温的特性使其仅用一个结构简单的MOSFET器件，就能达到硅基IGBT的耐压水平，同时规避了高能耗的缺陷。换句话说，SiC材料在射频和功率器件方面，完全具备替代硅基材料的能力。

来自东芝的试验数据也证实了这一点：同等规格下，碳化硅基MOSFET的能量损失比硅基IGBT减少66%，这主要得益于开关损耗的大幅降低。再对比碳化硅基MOSFET和硅基MOSFET，前者的尺寸可缩小到后者的1/10，导通电阻更可降至1/100以下。

虽然SiC性能优势显著，但成本偏高这一障碍尚未完全克服，限制了其大规模普及。不过考虑到SiC器件本身的低能耗优势，再加上量产和技术成熟带来的成本下降，性价比拐点预计很快到来。具体到新能源汽车行业，SiC可用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器以及快速充电桩。光伏领域，头部逆变器企业已开始用SiC功率器件替换硅器件。新基建中的特高压输电工程，对SiC器件也有较大需求。未来，SiC器件在各种应用场景中持续替代传统硅基器件，基本已成定局。

2. SiC晶圆尺寸趋势：6英寸向8英寸推进

硅晶圆早已从8英寸（200mm）过渡到12英寸（300mm），而碳化硅晶圆的主流尺寸多年来一直停留在6英寸（150mm）。晶圆尺寸越大，单片可切割出的芯片越多，边缘浪费也更少，单芯片成本自然越低。Wolfspeed的报告显示，以32mm²的裸片为例，8英寸晶圆上的裸片数比6英寸增加近90%，边缘裸片比例从14%降至7%——相当于8英寸晶圆的利用率提升7%。因此，向更大尺寸发展是满足需求增长的必然趋势。

目前半绝缘型碳化硅市场的主流衬底尺寸为4英寸，导电型市场则为6英寸。8英寸SiC尚未大规模量产，预计2022至2023年，部分头部厂商将开始量产。

8英寸与6英寸SiC材料的差异，主要卡在高温工艺上，例如高温离子注入、高温氧化、高温激活，以及这些工艺所需的硬掩膜技术。

根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟的预测，2020至2025年，国内4英寸SiC晶圆市场将从10万片逐步降至5万片，6英寸则从8万片增长至20万片；2025至2030年，4英寸将逐渐退出，6英寸增至40万片。

在8英寸SiC衬底布局上，海外厂商进展快于国内。II‑VI、Wolfspeed、罗姆、ST等均已展示8英寸SiC衬底样品，或已开始小批量生产，预计2023年将进入加速量产阶段。国内方面，山西烁科晶体公司已宣布8英寸SiC衬底研发成功，并小批量生产N型SiC抛光片；天科合达、露笑科技等也有相关布局。

3. SiC成本、良率趋势

长期以来，SiC衬底成本居高不下，是限制SiC器件在电力电子领域大规模应用的首要障碍。

无论是技术难度还是成本占比，衬底都是SiC产业链的核心环节。CASA数据显示，SiC器件制造成本中，衬底成本占47%，外延占23%，这两道工序合计占到了总成本的70%。

相比之下，硅器件成本结构中，衬底仅占7%，晶圆制造设备和工艺成本反而占到50%。

目前SiC龙头Wolfspeed的6英寸N型（导电型）SiC衬底价格约为每片1000美元，而同尺寸的12英寸硅片仅约100美元。半绝缘型SiC衬底的单价，比同尺寸导电型高出2到3倍。

不过随着规模效应和工艺进步，SiC衬底的制造成本正在加速下降。天岳先进公开的数据显示，2018至2021年上半年，公司半绝缘SiC衬底单片成本分别为8709元、7492元、5966元、4684元，2021上半年的单位成本比2018年下降了46%。

价格方面，天岳先进4英寸半绝缘型SiC衬底单价从2018年的9682元降至2021上半年的7837元，降幅近20%；6英寸导电型SiC衬底价格在2020年同比降了20%。总体来看，SiC衬底价格每年保持8%至10%的降幅。

目前主流的PVT法晶体生长速度慢、缺陷控制难度大，导致SiC衬底生产速率慢，良率也低。SiC衬底的良率，体现为单个半导体级晶棒经切片加工后，产出合格衬底的比例，受晶棒质量、切割加工技术等多方面影响。

当前行业中，4英寸衬底良率大约在70%左右，6英寸则为30%至50%。天岳先进公开的数据显示，2018至2020年，SiC晶棒良率分别为41%、38.57%、50.73%；衬底良率分别为72.61%、75.15%、70.44%。各年度受产品指标变化影响有所波动，但整体呈上升趋势。

SiC器件方面，据Mouser数据，2018至2020年，SiC器件价格平均降幅接近50%。以650V SiC SBD为例，2018至2020年的价格分别为2.84元/A、1.82元/A、1.58元/A；1200V SiC MOSFET在2019年为4.2元/A，2020年降至3.04元/A。另据CASA统计，业内实际采购价低于公开报价，约为公开价的60%至70%。

总体而言，主流SiC器件与硅器件的价格差距正在逐步缩小，目前同等规格下价差约为4至5倍。

下一期，详解SiC各环节企业分布、行业格局、国内外产业发展对比、产业投资情况等。

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