碳化硅-能量转换链的材料变革.docx

碳化硅：能量转换链的材料变革碳化硅（SiC）是一种由碳和硅两种元素组成的宽禁带化合物半导体材料，具 备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点由 于碳化硅宽能带（〜3.2eV）的物理性质，又称为宽禁带半导体经过几十年的发展，硅（Si）作为半导体行业的基础材料，完成了全球95%以 上的集成电路的制造；随着电子的发展，化合物半导体如碑化保（GaAs）、碳 化硅、氮化铉（GaN）等也逐渐渗透到下游应用中按在下游应用中出现的先 后顺序，半导体主要的可分为三类：一、错、硅等半导体材料：硅拥有1.1eV的禁带宽度以及氧化后非常稳定的特 性，广泛应用于电力电子、光伏等领域二、碑化铉、锐化锢等半导体材料：碑化铉拥有1.4eV的禁带宽度以及比硅高 五倍的电子迁移率，主要用于等需要高频率的通信应用中三、以碳化硅、氮化铉为代表的宽禁带半导体材料：有更高饱和漂移速度和更 高的临界击穿电压等突出优点，适合大功率、高温、高频、抗辐照的应用场合图1 :不同半导体材料对应的应用领域•IM资料来源：英飞凌，国信证券经济研究所整理半导材料发展至今，硅材料己经接近完美晶体基于硅材料上器件的设计和开 发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅的物理极限。

基 于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小，而以氮化铉、碳化硅为代表的、半 导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大 的空间表1:各类半导体材料特性参数比较参数单位SiSiCGaAsGaN禁带宽度eV1.123.261.433.5电子迁移率cm2/(V-s)140090085001250击穿电场MV/cm0.330.43.3漂移速度107/s12.722.7热传导率W/(cm-K)1.54.90.51.3资料来源：Rohm,国信证券经济研究所整理三、器件工艺及客户验证涉及七大难点碳化硅器件壁垒主要来源于加工工艺及器件应用方面：（1）光刻对准难:相较于传统硅片，双面抛光的碳化硅晶圆是透明的，稳定的 光刻对准工艺是一个难点2）离子注入和退火激活工艺:制备器件时掺杂需要高能离子注入；退火温度 高达1600°C,在此温度下要达到高的离子激活率和相对准确的P区形状难度大3））栅氧可靠性:在热氧化工艺中多余的碳原子析出形成表面态，影响 MOSFET栅氧质量4）功率模块难度大:高温、高功率密度封装的工艺及材料难度大5）工艺设备：基本上被国外公司所垄断,高温离子注入设备、超高温退火设 备 和高质量氧化层生长设备等基本需要进口。

6）车规级半导体要求高:①环境要求，汽车行驶的外部温差较大，要求芯片可 承受温度区间为・40°C~150°C,同时需抗湿度、抗腐蚀②可靠性要求，整车设计 寿命通常在15年及以上，车规级半导体需做到零失效③供货周期要求，需 要覆盖整车的全生命周期，供应链可追溯7）客户验证:车规级器件认证周期和供货周期长，通常要求其产品拥有一定 规模的上车数据，国产厂商缺乏应用及试验平台，在车规级半导体正常供给的状 态下较难寻得突破碳化硅发展趋势：衬底大尺寸化，切割高效化、器件模块化大尺寸化是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向为提高生产效率并降低成本， 衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，边缘的浪费越小，单位芯片 成本越低碳化硅晶圆从6英寸到8英寸，芯片数量由488增至845个（单位 面积：32mm2）,边缘浪费由14%减至7%目前，碳化硅衬底主流尺寸为4・6 英寸，8英寸衬底仅有Wolfspeed. II・VI公司和意法半导体ST等少数几家研制 奶，其中，Wolfspeed是首家掌握8英寸量产技术并建设对应晶圆厂的公司图20:6英寸到8英寸碳化硅晶圆数变化32 mm1 die32 mm1 die资料来源：Wolfspeed,国信证券经济研究所整理衬底切割良率提高是降低成本的重要课题。

目前常用的线切割工艺通常会损耗 75%的原材料，英飞凌使用的一种冷切割技术可使得原材料损耗减至50%该 工艺源于英飞凌收购的公司Siltectrao这种冷切割（Cold Split）技术可高效处 理晶体材料，最大限度减少材料损耗，使单片晶圆产出的芯片数量翻倍，从而 有效降低SiC成本图21 :冷切割工艺使得切割良率大幅提升tnflvwon marivfjicturtngBantoEpA4

作为碳化硅的全球领导者，Wolfspeed在碳化硅衬底市占率超 60%,是全球最大的SiC材料供应商经历了长达四年的业务结构调整，2021 年，公司从Cree更名为Wolfspeed,以新名称于纽约证券交易所上市（代码 “WOLF”），转型为碳化硅半导体公司• 材料（Materials）：公司提供SiC和GaN基的衬底及外延片材料，其中包括 用于功率半导体的N型SiC导电衬底、用于射频器件的SiC半绝缘衬底、 SiC N型/P型外延片及GaN\AllnN\lnGaN外延片• 功率器件（Power ）：公司提供碳化硅基功率芯片、分立器件及模组产品， 以满足新能源汽车、工业及能源等领域中高能源转换效率、高功率密度及 高电压的应用需求• 射频器件（RFPower ）：公司提供SiC基GaN射频器件，具体包括 GaN-on-SiC功率放大器（PA）、GaN HEMT等产品，主要用于5G通信 系统及雷达等通信领域，以实现高频率、高功率密度的通信应用需求Wolfspeed （原CREE）经历了从LED到碳化硅龙头的业务转变公司成立于 1987年，其早期的技术来自于卡罗来纳州立大学（NCSU）公司的发展大致 经历了三个阶段：图22 : Cree|Wolfspeed的发展历史技术祝欢i（多次收舞布局）iB［焦功率股射频业务二（收蜘相关公匐剥窗LED）—2013 LED全球龙头2021更名 Wolfspeed 开启破化硅 功率时代1990s-2000s1987199119^6199920022008?018Cree Rrst'iirch金噩百耳商用苗果LED应用InGiiN60OV商用谖古个光效汽年Inc.g NCSU诙化既切底于入时色用于ItHJBSAlALPWB0阳R阳明AEC-QlOlhJt的商用心葩业化仪坂由LEDSiC MOSFET1987199119^6199920022008?018Cree Rrst'iirch金噩百耳商用苗果LED应用InGiiN60OV商用谖古个光效汽年Inc.g NCSU诙化既切底于入时色用于ItHJBSAlALPWB0阳R阳明AEC-QlOlhJt的商用心葩业化仪坂由LEDSiC MOSFETLED及化合物功率器件技术不断突破1989199319%,2000200620112019全孩否JWSIC商业化掘如a上甬ikWfiNsiCiiSKGdN^SiC业 ffsnsic开发XM3 g商光LEDGdN HE MTMMIC待草二极百MOSFET模块平台 业务员新聚傍 Wolfspeed资料来源：公司公告，国信证券经济研究所整理第一阶段：技术积累期（1990S-2000S）：公司以碳化硅技术起家，基于碳化硅 的光电性质，试图在LED、功率及射频器件领域寻找适合SiC的产品进行布局， 在LED和碳化硅基器件产品上创造了多个业界第一。

第二阶段：LED时期（2003-2015）：从2003年公司发布全球最亮的白光LED 开始，公司不断在LED技术方面取得突破通过收购多家LED企业，公司建 立了 LED制造、渠道及产品的完整布局，在2013年成为全球仅次于日亚化学 的LED巨头第三阶段：碳化硅时期（2016-至今）：公司早期碳化硅器件主要服务于军用领 域，2015年，随着LED业务壮大，公司一度计划将功率及射频器件业务（Wolfspeed）拆出在WolfspeedIPO失败，向英飞凌出售失败以及LED业 务下滑等多因素影响下，2017年公司重启Wolfspeed功率及射频业务随着业 务加速，2018年公司收购英飞凌射频业务，随后将LED及照明业务剥离，2021 年更名为Wolfspeed,彻底转型为基于碳化硅的半导体公司表5 : Cree发展中不断收购和剥离年份收购与剥离2006 收购碳化硅衬底公司 INTRIN SIC Semiconductor Corporation2007 收购 LED 制造企业 COTCO Luminant Device Limited2008 收购 LED 照明龙头 LED Lighting Fixtures, Inc.2011收购户外照明公司Ruud Lighting, Inc.2015计划Wolfspped分拆上市（失败）2015 收购功率模块及电力电子应用龙头Arkansas Power Electronics2016 计划向英飞凌出售Wolfspeed （失败）2017 收购英飞凌RF事业部2018 剥离照明业务，向IDEAL INDUSTRIES出售照明业务2021剥离 LED 业务，向 SMART Global Holdings,Inc 出售 LED 业务资料来源：公司公告，国信证券经济研究所整理图23 : Wolfspeed转型历程图23 : Wolfspeed转型历程Key milestones on our transformationDesign-ins «290«7t. 长期合作物议 约13亿美元Pipehne®18E/,美兀ttlBLED出害照明业务Cree更名为WolfspeedPipeiine150E类元战略■心用向Wolfspeed10昧金投资全球 g8的火晶BQ 厂(MVF Fab)201720182019202020212W资料来源：公司公告，国信证券经济研究所整理Wolfspeed是全球首家突破8英寸碳化硅量产技术的公司。

与硅基半导体器件 不同，碳化硅产业链价值量集中于上游且进入壁垒最高，产能缺口最大由于 碳化硅晶棒生长速度慢且难度大，其器件制造成本中衬底成本占比近46%,外 延成本占比近23%o因此，在衬底环节拥有最先进技术及产能的公司将拥有产 业链话语权。