碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)能及成本情況如何？

由 6 英寸向 8 英寸升級(jí)是碳化硅襯底制備技術(shù)的主流方向。

碳化硅襯底位于產(chǎn)業(yè)鏈上游，分為導(dǎo)電型和半絕緣型兩類。以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長(zhǎng)、器件制造以及下游應(yīng)用市場(chǎng)。在碳化硅襯底上，主要使用化學(xué)氣相沉積法（CVD 法）在襯底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，進(jìn)一步制成器件。按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為兩類。其中，在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進(jìn)一步制成功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進(jìn)一步制成微波射頻器件，應(yīng)用于5G通訊、雷達(dá)等領(lǐng)域。

8 英寸碳化硅技術(shù)已經(jīng)成為各國競(jìng)相布局的戰(zhàn)略高地。碳化硅襯底的尺寸（按直徑計(jì)算）主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）等規(guī)格。碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，全球方面，8 英寸碳化硅襯底開始產(chǎn)業(yè)化，國外碳化硅襯底頭部廠商 Wolfspeed 的 8 英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底已進(jìn)入量產(chǎn)階段，Wolfspeed在 2023 年 7 月宣布其 8 英寸工廠已開始向中國終端客戶批量出貨SiC MOSFET，說明其8英寸襯底及 MOSFET 已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用；國內(nèi)方面，國內(nèi)襯底廠商目前仍以供應(yīng)6 英寸襯底為主，雖然已有數(shù)家國內(nèi)廠商具備 8 英寸碳化硅襯底的生產(chǎn)能力。

碳化硅目前尚處于由 6 英寸向 8 英寸升級(jí)的階段。從需求角度，電動(dòng)汽車/充電樁、光伏新能源等下游需求爆發(fā)，全球 SiC 供不應(yīng)求，各大廠商加速推進(jìn)8 英寸以擴(kuò)大供給；從供給角度，大尺寸碳化硅襯底可以實(shí)現(xiàn)降本增效。根據(jù)測(cè)算，單片 8 英寸碳化硅襯底的芯片產(chǎn)出量大約是 6 英寸的 2 倍，并可部分使用硅基功率芯片產(chǎn)線裝備，可大幅降低成本、提高效率。根據(jù)行業(yè)龍頭美國 Wolfspeed 報(bào)告顯示，以 32mm²面積的裸片（芯片）為例，6 英寸可以切出448顆，8 英寸可以切出 845 顆，8 英寸碳化硅襯底上的裸片數(shù)量相比6 英寸增加近90%；由于邊緣芯片的良率較低，6 英寸的邊緣裸片數(shù)量占比會(huì)達(dá)到 14%，8 英寸的這一占比降低至7%，8英寸襯底利用率相比 6 英寸提升了 7%。根據(jù)碳化硅襯底廠商天科合達(dá)的測(cè)算，從6英寸提升到 8 英寸，單位成本預(yù)計(jì)能夠降低 35%。

預(yù)計(jì) 2024 年 8 英寸碳化硅襯底將大批量進(jìn)入市場(chǎng)，Wolfspeed 布局8 英寸襯底全球領(lǐng)先。目前，8 英寸碳化硅在單晶生長(zhǎng)和襯底加工環(huán)節(jié)上仍面臨難度大、成本高、良率低等問題，遏制了規(guī)模量產(chǎn)的進(jìn)程。不過，隨著碳化硅芯片成本的逐步下降和8 英寸碳化硅技術(shù)的不斷成熟，6 到 8 英寸的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)將大幅提前，8 英寸碳化硅襯底市場(chǎng)將會(huì)快速發(fā)展。截至2023年，海外已經(jīng)形成從 8 英寸襯底到晶圓制造的產(chǎn)業(yè)鏈布局，海外頭部大廠在8 英寸碳化硅襯底技術(shù)上的發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)在近兩年明顯加快。除了已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的 Wolfspeed，還有7 家碳化硅襯底、外延、器件廠預(yù)計(jì)在未來 1-2 年實(shí)現(xiàn) 8 英寸襯底的量產(chǎn)。其中，Wolfspeed 的8 英寸襯底及MOSFET已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，并持續(xù)建設(shè) JohnPalmour 碳化硅襯底廠，推動(dòng)襯底產(chǎn)能擴(kuò)充、配合其8英寸晶圓廠的擴(kuò)產(chǎn)需求；ST 意法半導(dǎo)體也向 8 英寸領(lǐng)域投資，其聯(lián)合湖南三安半導(dǎo)體建設(shè)8英寸碳化硅晶圓廠，三安配套自建一座 8 英寸碳化硅襯底廠，保障合資工廠的材料供應(yīng)穩(wěn)定性。根據(jù) YOLE 報(bào)告預(yù)測(cè)，2024 年 8 英寸碳化硅襯底將大批量進(jìn)入市場(chǎng)。業(yè)界預(yù)計(jì)從2026年至2027年開始，現(xiàn)在的 6 英寸碳化硅產(chǎn)品都將被 8 英寸產(chǎn)品替代。據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)顯示，目前8英寸的產(chǎn)品市占率不到 2%，預(yù)計(jì) 2026 年市場(chǎng)份額將成長(zhǎng)到 15%左右。

國內(nèi)量產(chǎn)突破步伐加快，天岳 8 英寸襯底出貨量行業(yè)領(lǐng)先。目前已超10 家企業(yè)8英寸碳化硅襯底進(jìn)入了送樣、小批量生產(chǎn)階段，包括爍科晶體、晶盛機(jī)電、天岳先進(jìn)、南砂晶圓、同光股份、天科合達(dá)、科友半導(dǎo)體、乾晶半導(dǎo)體、湖南三安半導(dǎo)體、超芯星、盛新材料（中國臺(tái)灣）、粵海金。投資方面，爍科晶體、南砂晶圓、天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、乾晶半導(dǎo)體、科友半導(dǎo)體、三安光電等均有 8 英寸襯底相關(guān)擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，旨在提前為后續(xù)中下游客戶做好材料產(chǎn)能供應(yīng)的準(zhǔn)備?，F(xiàn)階段中國廠商在襯底領(lǐng)域與國際大廠的差距已明顯縮小，英飛凌與天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等中國廠商達(dá)成長(zhǎng)期合作，也說明了中國襯底產(chǎn)品的質(zhì)量受到認(rèn)可。其中，天岳已于2022 年通過自主擴(kuò)徑實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì) 8 英寸碳化硅襯底的制備。隨著國際市場(chǎng)對(duì)8 英寸碳化硅襯底需求持續(xù)增加，以及公司在 8 英寸碳化硅襯底技術(shù)和產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)勢(shì)，公司在2023年已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 8 英寸碳化硅襯底的批量銷售，且8 英寸碳化硅襯底出貨量上在行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。

8 英寸量產(chǎn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)漸近，天岳已成功進(jìn)入全球?qū)щ娦鸵r底市場(chǎng)前十。近年來，海內(nèi)外廠商積極投資，擴(kuò)大碳化硅襯底產(chǎn)能。目前 6 英寸碳化硅襯底在質(zhì)量和價(jià)格上有一定優(yōu)勢(shì)，仍占據(jù)市場(chǎng)主流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國際廠商在 2023 年貢獻(xiàn)的 6 英寸碳化硅襯底產(chǎn)能超過200 萬片，預(yù)計(jì)在未來三年持續(xù)擴(kuò)充；8 英寸襯底目前尚未大批量出貨，未來電動(dòng)汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將帶動(dòng)8英寸晶圓需求持續(xù)增長(zhǎng)。國際方面，8 英寸晶圓制造已邁向量產(chǎn)前夕，海外大廠Wolfspeed、英飛凌、博世、onsemi 等公司 8 英寸晶圓量產(chǎn)時(shí)間集中于 2024 年下半年至2026 年期間。國內(nèi)廠商在量產(chǎn)時(shí)間上與國際大廠存在一定時(shí)間差，但是目前天岳先進(jìn)、天科合達(dá)兩家大廠已經(jīng)成功打入全球?qū)щ娦吞蓟枰r底材料市場(chǎng)前十榜單，產(chǎn)業(yè)鏈條進(jìn)一步完善成熟。據(jù)估算，國內(nèi)2023年的 6 英寸碳化硅襯底產(chǎn)能占全球產(chǎn)能的 42%，到 2026 年國內(nèi)6 英寸碳化硅襯底產(chǎn)能將占全球產(chǎn)能的 50%左右。未來在 8 英寸市場(chǎng)，中國廠商將會(huì)迎來更多的產(chǎn)能釋放，推升碳化硅降本提質(zhì)，加速入市。

碳化硅襯底占功率器件成本的 47%，是價(jià)值量最高的環(huán)節(jié)之一。寬禁帶半導(dǎo)體器件已經(jīng)在 5G 通訊、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、軌道交通、新能源并網(wǎng)、開關(guān)電源等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。器件及應(yīng)用市場(chǎng)的快速發(fā)展催生出碳化硅襯底材料的旺盛需求。從價(jià)值角度來看，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈附加值向上游集中，襯底+外延是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值量最高的環(huán)節(jié)。碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的 47%，外延環(huán)節(jié)占比 23%，制造前的成本占據(jù)全部成本的70%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基器件襯底和外延約 11%的占比。襯底+外延兩大工序的制備難度大，技術(shù)和成本高，是碳化硅器件的重要組成部分。由于碳化硅襯底及外延價(jià)格相對(duì)硅片較為昂貴，碳化硅功率器件現(xiàn)階段滲透率較低。碳化硅器件具有高效率、高功率密度等特性，新能源汽車、能源、工業(yè)等領(lǐng)域的強(qiáng)勁需求有望帶動(dòng)碳化硅滲透率快速提升。

新能源汽車是碳化硅功率器件最大的終端應(yīng)用市場(chǎng)，滲透率持續(xù)提升。從終端應(yīng)用領(lǐng)域看，碳化硅功率器件應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、軌道交通、超高壓直流輸電等領(lǐng)域，新能源汽車是目前最大的終端應(yīng)用市場(chǎng)。新能源汽車市場(chǎng)爆發(fā)帶來車用半導(dǎo)體市場(chǎng)迅猛增長(zhǎng)，“800V+SiC”高壓平臺(tái)的應(yīng)用加速了碳化硅的滲透。其中，在中高壓領(lǐng)域，電動(dòng)汽車及充電基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用將是最大的市場(chǎng)，2022 年全球用于新能源汽車的碳化硅功率器件約占全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模的 70%，未來隨著新能源汽車滲透率的提升，預(yù)計(jì)2028 年占比上升至74%；在中壓領(lǐng)域，功率器件在工業(yè)和能源領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，2022 年約占全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模的 13%和 10%；中低壓、小功率電源領(lǐng)域主要用于消費(fèi)電子等，占比較小。Yole預(yù)測(cè)，碳化硅功率器件行業(yè)將成為未來五年的主要碳化硅市場(chǎng)，從23 年的約27 億美元增長(zhǎng)到2029 年的 100 億美元以上，純電動(dòng)汽車（BEV）是主要的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力，占市場(chǎng)份額的70%以上，包括電動(dòng)汽車充電樁和電網(wǎng)在內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用為市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大進(jìn)一步增添動(dòng)力。

碳化硅襯底市場(chǎng)需求持續(xù)提升，導(dǎo)電型襯底市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)容。全球碳化硅襯底行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模在近年來呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)。受益于電動(dòng)汽車、高壓快充、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域需求的增長(zhǎng)，碳化硅功率器件規(guī)模不斷擴(kuò)大，帶動(dòng)碳化硅襯底市場(chǎng)需求提升。在巨大的市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，全球碳化硅襯底產(chǎn)能規(guī)模不斷擴(kuò)大，半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底的市場(chǎng)規(guī)模取得較快增長(zhǎng)。根據(jù) Yole 和中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，2023 年全球?qū)щ娦秃桶虢^緣型碳化硅襯底的市場(chǎng)規(guī)模分別達(dá)到 6.84 億美元和 2.81 億美元，至 2025 年市場(chǎng)規(guī)模將分別達(dá)到12.21 億美元和3.78億美元；未來導(dǎo)電型碳化硅襯底將占據(jù)市場(chǎng)主要份額，預(yù)計(jì) 2027 年全球市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至21.6億美元。根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，全球6 英寸導(dǎo)電型襯底需求從2020年的超 8 萬片增長(zhǎng)至 2025 年的 20 萬片。相對(duì)硅片全球市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)上百億美元，碳化硅襯底的全球市場(chǎng)銷售額仍然較小，主要系碳化硅行業(yè)供給側(cè)成本仍較高，制約了目前的市場(chǎng)購買力和需求的釋放。未來，隨著碳化硅襯底和器件制造行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，制造成本有望持續(xù)下降，碳化硅器件和系統(tǒng)有望顯示出競(jìng)爭(zhēng)力并在下游行業(yè)得到廣泛應(yīng)用并快速發(fā)展，從而帶動(dòng)整體需求和市場(chǎng)規(guī)模的快速發(fā)展。