国内碳化硅衬底面临盈利困难 2023碳化硅半导体材料应用场景

第三代半导体兴起于 21 世 纪，与前两代半导体材料相比，以 SiC 与 GaN 为代表的第三代半导体材料具有更宽的禁 带(>2.3eV)、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力。 同时，SiC 材料更有效克服了资源稀缺、毒性、环境污染等问题，在高压、高频、高温、 高功率等领域具有更强的适用性。碳化硅衬底占碳化硅器件成本的一半，是第三代半导体中最核心的环节之一，而这一环节目前正面临盈利难的问题。

国内碳化硅衬底面临盈利困难

近日，碳化硅衬底生产企业东尼电子(603595.SH)发布2022年年报，揭开了国内碳化硅衬底项目运行的经济账。

年报显示，2022年，东尼电子半导体业务营收1676.56万元，营业成本2042.13万元，毛利率为-21.81%。公司2022年生产碳化硅衬底6750片，销售碳化硅衬底4190片。

由于东尼电子半导体业务全部为碳化硅衬底，据此计算，公司碳化硅衬底每片单价为4001.33元，每片单位成本为4873.82元。

此前东尼电子曾披露，2022年9月，子公司东尼半导体与下游客户签订《采购合同》，约定东尼半导体向该客户交付6寸碳化硅衬底2万片，含税销售金额合计人民币1亿元。据此计算，东尼电子碳化硅衬底每片单价(不含税)为4273.5元。也就是说，目前东尼电子碳化硅衬底的实际销售平均价格略低于合同约定价格。

量产良率偏低和销售价格低于预期是导致东尼电子亏本卖碳化硅衬底的两大原因。

碳化硅半导体材料应用场景

三代半导体材料在特定的应用场景中存在各自比较优势。硅基半导体材料由于储量丰 富、价格低的特点，目前是产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品为 硅基，主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中;砷化镓半导体材料广泛应用 于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管的关键衬底材料;对于工作频段更高、 输出功率要求更高的器件，第三代半导体是更好的选择，主要应用于 5G 通信、国防和新 能源汽车领域。第三代半导体主要包括 SiC、氮化物、氧化物和金刚石等。其中，SiC 和 GaN 是第三代半导体中应用最广的两类材料，两者工艺最为成熟，且在产业化上推进最快。

GaN 与 SiC 这两种宽禁带半导体材料间也存在明显差异。(1)二者的适用电压不同 因而目标应用也不同：SiC 适用的电压范围为 650 V-3.3 kV，是 1200 V 以上的高频器件, 同时兼有功率密度高的特点。因此，SiC 在太阳能逆变器、新能源汽车充电、轨道交通、 燃料电池中的高速空气压缩机、DCDC 、电动汽车电机驱动、数字化趋势下的数据中心等 领域都有着广泛应用。相比 SiC，GaN 的适用电压范围更低，一般从中压 80 V 到 650 V。 (2)二者在热导率上的较大差异，使得 SiC 在高功率应用中几乎占据统治地位：由于 SiC 的热导率是 GaN 的近 4 倍，高热导率有助于功率器件的散热，在同样的输出功率下可以 保持更低的温度，从而有效避免半导体器件在高温下因出现载流子的本征激发，而导致器 件失效。而且，材料更高的热导率会使得器件对散热设计的要求更低，从而助力设备的小 型化。(3)高电子迁移率和电子饱和速度让 GaN 在高频率应用中更占优：GaN 相比 Si 和 SiC 更高的电子迁移率和电子饱和速度另其具有更高的开关速度(可达 MHz 级)，因而 在开关频率最高的中等功率应用(如快充等)中更具优势。此外，在光电子领域，GaN 在 Micro-LED、深紫外 LED 等热门赛道同样表现优异。当然，SiC 和 GaN 在应用端各具优 势的同时，亦能有效合作：在微波射频领域，通过在半绝缘 SiC 衬底上外延生长氮化镓， 可以制备 SiC 基 GaN-HEMT。这是现今制造 5G 基站功率放大器最重要的材料。

整体上 SiC 的商用更加成熟，而 GaN 市场则处于起步阶段。从 2010 年 IR 发布业界 第一款硅基 GaN 开关器件到现在，业界对 GaN 的研究已经深入了很多，但真正大规模的 应用仍局限于最近数年。相比 GaN 市场，从 1970 年代便开始功率器件的研发，1980 年 代晶体质量和制造工艺获得大幅改进，90 年代末开始加速发展的 SiC 市场，运行的时间 要长得多，现存器件数量要大得多，也因而更为成熟。根据 Yole 的测算(转引自新材料在 线)，截至 2021 年，全球半导体材料市场，GaN 的渗透率仅 0.17%，而 SiC 的渗透率为 1.98%。本文的后续研究将聚焦于 SiC 行业。

根据中研普华研究院《2022-2026年中国碳化硅行业竞争格局及发展趋势预测报告》显示：

碳化硅半导体器件生产工序主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、 模块封装和终端应用等环节。碳化硅高纯粉料是采用 PVT 法生长碳化硅单晶的原料，其 产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。单晶衬底是半导体的支撑材料、 导电材料和外延生长基片。外延是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶 向相同的单晶薄膜的碳化硅片或者氮化镓外延层。

2023年开始，碳化硅(SiC)半导体在电动汽车(EV)牵引逆变器的设计上取得了两项重大胜利。牵引逆变器位于电动汽车的高压电池和电动马达之间，将电池产生的直流电转换为电动汽车马达使用的交流电。

首先，2023年1月4日，onsemi宣布其SiC模块将为起亚的EV6 GT车型的牵引逆变器提供动力，实现从800V的直流电池到后轴的交流驱动的高效电力转换。值得一提的是，2022年12月，意法半导体宣布其SiC模块已被纳入现代汽车的电动-全球模块平台(E-GMP)，起亚的EV6和其他几个车型共享。

接下来，在2023年1月10日，于2010年开始大规模生产SiC MOSFET的罗姆半导体公司宣布，其SiC MOSFET和门驱动器IC将为日本的汽车零部件供应商日立Astemo公司开发的电动汽车逆变器提供动力。栅极驱动器IC是电动车逆变器的一个重要组成部分，它在逆变器控制微控制器(MCU)和向逆变器供电的SiC MOSFET之间提供一个接口。门驱动IC在低压域中接收来自MCU的控制信号，并将这些信号传递给高压域中的功率器件，使其快速开启和关闭。

SiC半导体正在电动车系统中获得大规模应用，如DC/DC转换器、牵引逆变器和车载充电器(OBC)。本文将解释SiC半导体和模块是如何重振牵引逆变器的，这是汽车电气化的一个基本组成部分。根据Research and Markets的数据，到2028年，全球牵引逆变器行业预计将达到390亿美元。

碳化硅在800V系统的逆变器中的应用

虽然将典型的400-V电池的电压翻倍给电动汽车带来了巨大的好处，但对于依靠硅(Si)MOSFETS和IGBT的电动汽车逆变器来说，在更高的电压下性能会受到影响。因此，汽车设计师正在用SiC取代传统的Si功率器件，SiC是一种宽带隙半导体，可以实现更快的开关，并能在更高的温度下工作。与硅器件相比，SiC器件更小，可以处理更高的工作电压。

以汽车解决方案供应商德尔福科技公司为例，该公司在转向800V电池系统时，在电动汽车逆变器中采用了Wolfspeed公司的SiC MOSFET。这使得德尔福能够开发出比竞争对手的逆变器技术轻40%、紧凑30%的逆变器。

《2022-2026年中国碳化硅行业竞争格局及发展趋势预测报告》由中研普华研究院撰写，本报告对该行业的供需状况、发展现状、行业发展变化等进行了分析，重点分析了行业的发展现状、如何面对行业的发展挑战、行业的发展建议、行业竞争力，以及行业的投资分析和趋势预测等等。报告还综合了行业的整体发展动态，对行业在产品方面提供了参考建议和具体解决办法。