國內碳化硅襯底面臨盈利困難 2023碳化硅半導體材料應用場景

• 黃江 2023年3月13日 來源：新浪 246 8
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由于東尼電子半導體業務全部為碳化硅襯底，據此計算，公司碳化硅襯底每片單價為4001.33元，每片單位成本為4873.82元。

第三代半導體興起于 21 世 紀，與前兩代半導體材料相比，以 SiC 與 GaN 為代表的第三代半導體材料具有更寬的禁 帶(>2.3eV)、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力。 同時，SiC 材料更有效克服了資源稀缺、毒性、環境污染等問題，在高壓、高頻、高溫、 高功率等領域具有更強的適用性。碳化硅襯底占碳化硅器件成本的一半，是第三代半導體中最核心的環節之一，而這一環節目前正面臨盈利難的問題。

國內碳化硅襯底面臨盈利困難

近日，碳化硅襯底生產企業東尼電子(603595.SH)發布2022年年報，揭開了國內碳化硅襯底項目運行的經濟賬。

年報顯示，2022年，東尼電子半導體業務營收1676.56萬元，營業成本2042.13萬元，毛利率為-21.81%。公司2022年生產碳化硅襯底6750片，銷售碳化硅襯底4190片。

由于東尼電子半導體業務全部為碳化硅襯底，據此計算，公司碳化硅襯底每片單價為4001.33元，每片單位成本為4873.82元。

此前東尼電子曾披露，2022年9月，子公司東尼半導體與下游客戶簽訂《采購合同》，約定東尼半導體向該客戶交付6寸碳化硅襯底2萬片，含稅銷售金額合計人民幣1億元。據此計算，東尼電子碳化硅襯底每片單價(不含稅)為4273.5元。也就是說，目前東尼電子碳化硅襯底的實際銷售平均價格略低于合同約定價格。

量產良率偏低和銷售價格低于預期是導致東尼電子虧本賣碳化硅襯底的兩大原因。

碳化硅半導體材料應用場景

三代半導體材料在特定的應用場景中存在各自比較優勢。硅基半導體材料由于儲量豐 富、價格低的特點，目前是產量最大、應用最廣的半導體材料，90%以上的半導體產品為 硅基，主要應用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中;砷化鎵半導體材料廣泛應用 于光電子和微電子領域，是制作半導體發光二極管的關鍵襯底材料;對于工作頻段更高、 輸出功率要求更高的器件，第三代半導體是更好的選擇，主要應用于 5G 通信、國防和新 能源汽車領域。第三代半導體主要包括 SiC、氮化物、氧化物和金剛石等。其中，SiC 和 GaN 是第三代半導體中應用最廣的兩類材料，兩者工藝最為成熟，且在產業化上推進最快。

GaN 與 SiC 這兩種寬禁帶半導體材料間也存在明顯差異。(1)二者的適用電壓不同 因而目標應用也不同：SiC 適用的電壓范圍為 650 V-3.3 kV，是 1200 V 以上的高頻器件, 同時兼有功率密度高的特點。因此，SiC 在太陽能逆變器、新能源汽車充電、軌道交通、 燃料電池中的高速空氣壓縮機、DCDC 、電動汽車電機驅動、數字化趨勢下的數據中心等 領域都有著廣泛應用。相比 SiC，GaN 的適用電壓范圍更低，一般從中壓 80 V 到 650 V。 (2)二者在熱導率上的較大差異，使得 SiC 在高功率應用中幾乎占據統治地位：由于 SiC 的熱導率是 GaN 的近 4 倍，高熱導率有助于功率器件的散熱，在同樣的輸出功率下可以 保持更低的溫度，從而有效避免半導體器件在高溫下因出現載流子的本征激發，而導致器 件失效。而且，材料更高的熱導率會使得器件對散熱設計的要求更低，從而助力設備的小 型化。(3)高電子遷移率和電子飽和速度讓 GaN 在高頻率應用中更占優：GaN 相比 Si 和 SiC 更高的電子遷移率和電子飽和速度另其具有更高的開關速度(可達 MHz 級)，因而 在開關頻率最高的中等功率應用(如快充等)中更具優勢。此外，在光電子領域，GaN 在 Micro-LED、深紫外 LED 等熱門賽道同樣表現優異。當然，SiC 和 GaN 在應用端各具優 勢的同時，亦能有效合作：在微波射頻領域，通過在半絕緣 SiC 襯底上外延生長氮化鎵， 可以制備 SiC 基 GaN-HEMT。這是現今制造 5G 基站功率放大器最重要的材料。

整體上 SiC 的商用更加成熟，而 GaN 市場則處于起步階段。從 2010 年 IR 發布業界 第一款硅基 GaN 開關器件到現在，業界對 GaN 的研究已經深入了很多，但真正大規模的 應用仍局限于最近數年。相比 GaN 市場，從 1970 年代便開始功率器件的研發，1980 年 代晶體質量和制造工藝獲得大幅改進，90 年代末開始加速發展的 SiC 市場，運行的時間 要長得多，現存器件數量要大得多，也因而更為成熟。根據 Yole 的測算(轉引自新材料在 線)，截至 2021 年，全球半導體材料市場，GaN 的滲透率僅 0.17%，而 SiC 的滲透率為 1.98%。本文的后續研究將聚焦于 SiC 行業。

根據中研普華研究院《2022-2026年中國碳化硅行業競爭格局及發展趨勢預測報告》顯示：

碳化硅半導體器件生產工序主要包括碳化硅高純粉料、單晶襯底、外延片、功率器件、 模塊封裝和終端應用等環節。碳化硅高純粉料是采用 PVT 法生長碳化硅單晶的原料，其 產品純度直接影響碳化硅單晶的生長質量以及電學性能。單晶襯底是半導體的支撐材料、 導電材料和外延生長基片。外延是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶 向相同的單晶薄膜的碳化硅片或者氮化鎵外延層。

2023年開始，碳化硅(SiC)半導體在電動汽車(EV)牽引逆變器的設計上取得了兩項重大勝利。牽引逆變器位于電動汽車的高壓電池和電動馬達之間，將電池產生的直流電轉換為電動汽車馬達使用的交流電。

首先，2023年1月4日，onsemi宣布其SiC模塊將為起亞的EV6 GT車型的牽引逆變器提供動力，實現從800V的直流電池到后軸的交流驅動的高效電力轉換。值得一提的是，2022年12月，意法半導體宣布其SiC模塊已被納入現代汽車的電動-全球模塊平臺(E-GMP)，起亞的EV6和其他幾個車型共享。

接下來，在2023年1月10日，于2010年開始大規模生產SiC MOSFET的羅姆半導體公司宣布，其SiC MOSFET和門驅動器IC將為日本的汽車零部件供應商日立Astemo公司開發的電動汽車逆變器提供動力。柵極驅動器IC是電動車逆變器的一個重要組成部分，它在逆變器控制微控制器(MCU)和向逆變器供電的SiC MOSFET之間提供一個接口。門驅動IC在低壓域中接收來自MCU的控制信號，并將這些信號傳遞給高壓域中的功率器件，使其快速開啟和關閉。

SiC半導體正在電動車系統中獲得大規模應用，如DC/DC轉換器、牽引逆變器和車載充電器(OBC)。本文將解釋SiC半導體和模塊是如何重振牽引逆變器的，這是汽車電氣化的一個基本組成部分。根據Research and Markets的數據，到2028年，全球牽引逆變器行業預計將達到390億美元。

碳化硅在800V系統的逆變器中的應用

雖然將典型的400-V電池的電壓翻倍給電動汽車帶來了巨大的好處，但對于依靠硅(Si)MOSFETS和IGBT的電動汽車逆變器來說，在更高的電壓下性能會受到影響。因此，汽車設計師正在用SiC取代傳統的Si功率器件，SiC是一種寬帶隙半導體，可以實現更快的開關，并能在更高的溫度下工作。與硅器件相比，SiC器件更小，可以處理更高的工作電壓。

以汽車解決方案供應商德爾?？萍脊緸槔?，該公司在轉向800V電池系統時，在電動汽車逆變器中采用了Wolfspeed公司的SiC MOSFET。這使得德爾福能夠開發出比競爭對手的逆變器技術輕40%、緊湊30%的逆變器。

《2022-2026年中國碳化硅行業競爭格局及發展趨勢預測報告》由中研普華研究院撰寫，本報告對該行業的供需狀況、發展現狀、行業發展變化等進行了分析，重點分析了行業的發展現狀、如何面對行業的發展挑戰、行業的發展建議、行業競爭力，以及行業的投資分析和趨勢預測等等。報告還綜合了行業的整體發展動態，對行業在產品方面提供了參考建議和具體解決辦法。

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