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第三代半导体碳化硅行业深度研究报告

日期:2022-08-13 返回

  第三代半导体碳化硅行业深度研究报告半导体行业市场规模较大,产业链较长,技术门槛较高且应用广泛,是现代电子信息产业的基础。半导体 行业的产业链主要包括上游半导体材料、中游半导体元件以及下游应用领域。上游材料半导体材料是一类具有 半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

  中游半导体 元件主要包括集成电路、传感器、分立器件以及光电子器件,集成电路(IC)是一种微型电子器件或部件,通过特殊工艺把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起;传感器是实现自动检测和 自动控制的首要环节;分立器件是具有单一功能的电路基本元件,如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等;光电子器件是光纤网络的构成要件,多应用于 5G 通信等领域。半导体元件可应用于下游消费电子、网络通信、 工业控制、新能源、轨道交通及光电显示等主要领域。

  全球半导体产业规模呈现不断上升趋势,半导体材料是半导体产业链上游的主要组成部分。近年来全球半 导体产业规模呈现不断上升趋势,2014 至 2020年全球半导体销售额年复合增长率为 4.6%。中国半导体产业同样呈现规模持续扩大,在政策大力支持与下游应用快速繁荣等因素的推动下,2014 至 2020 年中国半导体销售 额年复合增长率达 8.7%,占全球半导体销售额比例由 2014 年的 27%上升至 2020 年的 34%,是当前全球最大 的半导体消费市场。半导体材料在集成电路和分立器件等半导产品生产制造过程中起关键作用。常见的半导体 制造材料包括硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体及砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等化合物半 导体材料,其中以碳化硅、氮化镓等化合物为材料的半导属于第三代化合物半导体材料。

  半导体材料市场空间广阔,制造材料销售额占比不断提高。全球半导体材料销售额规模不断上升,2015 年至 2019 年复合增长率为 4.8%;中国大陆半导体材料市场快速增长,2015 至 2019 年复合增长率达 9.3%,占 全球半导体材料销售额比例不断攀升,由 2015 年的 14%增长至 2019 年的 16.7%。从材料类别来看,半导体制造材料销售规模占全部半导体材料销售额比例超50%,且呈现逐年上升的趋势,2015 至 2019 年制造材料销售 额复合增长率达 8.1%,而封装材料 2015 至 2019 年销售额复合增长率为-0.1%。

  第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)为代表的元素半导体材料,应用极为普遍,包括集成电路、 电子信息网络工程、电脑、手机等。其中,最典型的应用是集成电路,主要应用于低压、低频、低功率的晶体 管和探测器中。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料,90%以上的半导体产品是用硅基材 料制作的。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用,如其间接带隙的特点决定了它 不能获得高的电光转换效率;且其带隙宽度较窄,饱和电子迁移率较低,不利于研制高频和高功率电子器件, 硅基器件在 600V 以上高电压以及高功率场合就达到其性能的极限。

  第二代半导体材料主要是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物材料,目前手机所使用的关键 通信芯片都采用类似材料制作。砷化镓材料的电子迁移率约是硅的 6 倍,具有直接带隙,故其器件相对硅基器 件具有高频、高速的光电性能,因此被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和通信器件 的关键衬底材料。由于第二代半导体材料的禁带宽度不够大,击穿电场较低,限制了其在高温、高频和高功率 器件领域的应用。另外,由于砷化镓材料的毒性,可能引起环境污染问题,对人类健康存在潜在的威胁。

  第三代半导体材料是指以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代 表的宽禁带半导体材料,多在通信、新能源汽车、高铁、卫星通信、航空航天等场景中应用,其中碳化硅、氮 化镓的研究和发展较为成熟。与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热 导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,因此,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更 高的温度下稳定运行,适用于高电压、高频率场景,此外,还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力。

  碳化硅是由碳和硅组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料,具有多种同素异构类型,是世界上硬度排名第三的 物质,在热、化学和机械方面都非常稳定。在物理性质上,SiC 具有高硬度、高耐磨性、高导热率、高热稳定性以及散热性好的特点;在化学性质上,SiC 表面易形成硅氧化物薄膜以防止其进一步氧化,但在高温下该氧化膜会迅速发生氧化反应。

  碳化硅的典型结构可分为两类,一类是闪锌矿结构的立方碳化硅晶型,称为 3CSiC 或 β-SiC,这里 3 指的是周期表性次序中面的数目;另一类是六角型或菱形结构的大周期结构其中典型的 有 6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC 等,统称为 α-SiC。其中,4H-SiC 和 6H-SiC 是两种半导体所需的材料,碳化硅 与其他半导体材料具有相似的特性,4H-SiC 的饱和电子速度是 Si 的两倍,从而为 SiC 元件提供了较高的电流 密度和较高的电压,常被用来作为碳化硅功率器件。而 6H-SiC 和 4H-SiC 最大的差异在于 4H-SiC 的电子迁移 率是 6H-SiC 的两倍,这是因为 4H-SiC 有较高的水平轴(a-aixs)的移动率。在碳化硅晶体生长过程中需要精 确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数,否则容易产生多晶型夹杂,导致产出的晶 体不合格。

  碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料,基于其优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于 硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,当前碳化硅衬底已应用于射频器件及功率 器件。

  近年来,以碳化硅晶片作为衬底材料的技术逐渐成熟并开始规模生产及应用。SiC 生产过程主要包括碳化 硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是碳化硅产业链衬底、外延、器件三大环节。

  衬底是所有半导体芯片的底层材料,主要起到物理支撑、导热及导电作用,碳化硅衬底主要包括导电型和 半绝缘型两类,二者在外延层及下游应用场景不同。作为导电型衬底材料,经过外延生长、器件制造、封装测 试,制成碳化硅二极管、碳化硅 MOSFET 等功率器件,适用于高温、高压等工作环境,应用于新能源汽车、 光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;作为半绝缘型衬底材料,经过外延生长、器件制造、封装 测试,制成 HEMT 等微波射频器件,适用于高频、高温等工作环境,主要应用于 5G 通讯、卫星、雷达等领域。

  当前碳化硅衬底以 4、6 英寸为主,科锐公司已成功研发 8 英寸产品。在半绝缘型碳化硅市场,目前主流的衬底产品规格为 4 英寸;在导电型碳化硅市场,目前主流的衬底产品规格为 6 英寸。碳化硅衬底的尺寸(按 直径计算)主要有 2 英寸(50mm)、3 英寸(75mm)、4 英寸(100mm)、6 英寸(150mm)、8 英寸(200mm) 等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展,目前行业内公司主要量产衬底尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸。在最新技术研发储备上,以行业领先者 WolfSpeed 公司的研发进程为例,WolfSpeed 公司已成功研发 8 英寸产 品。为提高生产效率并降低成本,大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向,衬底尺寸越大,单位衬底可 制造的芯片数量越多,单位芯片成本越低;衬底的尺寸越大,边缘的浪费就越小,有利于进一步降低芯片的成 本。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产 SiC 器件,所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持 较长时间。

  碳化硅晶体生长是碳化硅衬底制备的关键技术,目前行业采用主流的方法为物理气相传输法(PVT)。碳 化硅衬底行业属于技术密集型行业,是材料、热动力学、半导体物理、化学、计算机仿真模拟、机械等交叉学科应用,其制作过程首先是使晶体生长形成碳化硅晶锭,将其加工和切割形成碳化硅晶片后通过对晶片进行研 磨、抛光和清洗最终形成碳化硅衬底。碳化硅晶体生长是碳化硅衬底制备的关键点,SiC 单晶主要有物理气相 传输法(PVT)、顶部籽晶溶液生长法(TSSG)、高温化学气相沉积法(HTCVD)三种方法。

  其中,TSSG 法 生长晶体尺寸较小目前仅用于实验室生长,商业化的技术路线主要是 PVT 和 HTCVD,而与 HTCVD 法相比, 采用 PVT 法生长 SiC 单晶具有所需设备简单、操作容易控制、设备价格以及运行成本低等优点。因此,PVT 法是目前工业生产晶体所采用的主要方法,WolfSpeed 公司、II-VI 公司、SiCrystal、天科合达、山东天岳等国 内外主要碳化硅晶片生产企业均采用 PVT 法,该法首先在高温区将材料升华,然后输送到冷凝区使其成为饱 和蒸气,最后经过冷凝成核而长成晶体。基于 PVT法制备碳化硅衬底的工艺流程主要包含原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶体切割及晶片处理五大工艺流程。

  外延层是在晶片的基础上,经过外延工艺生长出特定单晶薄膜,衬底晶片和外延薄膜合称外延片。其中, 在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅同质外延片,可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、 IGBT 等功率器件,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;在半绝缘型碳化 硅衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)异质外延片,可进一步制成 HEMT 等微波射 频器件,应用于 5G 通讯、雷达等领域。在全球市场中,外延片企业主要有 II-VI、Norstel、WolfSpeed、罗姆 等 IDM 公司。近年来,国内瀚天天成、东莞天域、基本半导体已能提供 4 寸及 6 寸 SiC 外延片。

  外延的质量受到晶体和衬底加工的影响,处在产业的中间环节,对产业的发展起到非常关键的作用。由于 碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同,不能直接制作在碳化硅单晶材料上,必须在导通型单晶衬底 上额外生长高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件,所以外延的质量对器件的性能是影响非常大。以 往器件大多是在低电压的环境工作,但随着碳化硅功率器件制造要求和耐压等级的不断提高,碳化硅外延材料 不断向低缺陷、厚外延方向发展。电压越大,所需要的外延就越厚,在 600 伏的低压情况下,器件需要的外延 厚度大约为 6μm;在中压 1200~1700 伏下,需要的厚度为 10~15μm;在 1 万伏以上的高压情况下,需要的厚度 为 100μm 以上。在核心参数方面,外延片核心参数厚度、掺杂浓度在低压、中压领域已经可以做到相对较优 的水平,但在高压领域,还有很多难题需要攻克,包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。在中低压应用 领域,碳化硅外延的技术相对成熟,基本可以满足中低压 SBD、MOS、JBS 等器件需求;在高压应用领域,器 件的类型趋向于使用双极器件。

  碳化硅外延制备技术方面,当前主要的外延技术是化学气相沉积法(CVD),该法通过台阶流的生长来实 现一定厚度和掺杂的碳化硅外延材料,根据不同的掺杂类型,分为 n 型和 p 型外延片。碳化硅外延的生长参数 要求较高,受到设备密闭性、反应室气压、气体通入时间、气体配比情况、沉积温度控制等多重因素影响。而 第三代半导体中,由于氮化镓材料作为衬底实现规模化生产当前仍面临挑战,因此是以蓝宝石、硅晶片或碳化 硅晶片作为衬底,通过外延生长氮化镓器件。

  碳化硅功率器件主要包含 SiC 功率二极管、SiC MOSFET 器件和碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC BJT/SiC IGBT)等 SiC 晶体管两大类。SiC 从上个世纪 70 年代开始研发,2001 年 SiC-SBD 开始商用,2010 年 SiCMOSFET 开始商用,而 SiC-IGBT 的商用仍存在挑战。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提 高,使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6 英寸 Si 基功率器件生长线上进行,这将进一步降低 SiC 材料和器件成本,推进 SiC 器件和模块的普及。当前,国际上 600~1700VSiC-SBD、MOSFET 已经实现产业化,主流产品耐 压水平在 1200V 以下,封装形式以 TO 封装为主。价格方面,国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5~6 倍, 正以每年 10%的速度下降,随着上游材料纷纷扩产上线 年后市场供应加大,价格将进一步下降, 预计价格达到对应 Si 产品 2~3 倍时,由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC 逐步占领 Si 器件的 市场空间。

  碳化硅功率二极管主要有肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)、PIN 二极管(SiC-PIN)和结势垒控 制肖特基二极管(SiC-JBS)三种,主要应用在电力电源领域,工作在开关状态。(1)SiC-SBD 为肖特基势垒二 极管,利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的一种热载流子二极管,也被称为金属-半导体 (接触)二极管或表面势垒二极管,结构与硅肖特基势垒二极管基本相同,仅电子移动、电流流动。与 Si-SBD 相比,SiC-SBD 不仅拥有优异的高速性且实现了高耐压,Si-SBD 的耐压极限为 200V,而 SiC 具有硅 10 倍的击穿 场强。

  此外,SiC-SBD 还拥有正向特性以及优异的 TRR 特性,而且几乎没有温度及电流依赖性。当前主流的 SiC-SBD 产品耐压极限为 1200V,同时罗姆公司在推进 1700V 耐压的产品。(2)SiC-PIN 是一个在射频和微波频段受偏置电流控制的可变阻抗器.它的结构有三层,在碳化硅半导体二极管的 P 结和N结中间夹着高阻值的本 征 I 层。与硅基 PIN 二极管相比,碳化硅 PIN 二极管具有高于硅的 2-3个数量级的开关速度、高结温承受能力、 高电流密度以及更高的功率密度。(3)由于 SBD 和 PiN 二极管为主的传统二极管己无法满足高频、大功率、低 功耗的市场需求,前者击穿电压低、反向漏电大,而后者高频特性较差,由此 JBS 应运而生,该结构将 SBD 结构 和 PiN 结构巧妙地结合在一起,具有高耐压、低压降、小漏电、高频特性好及强抗过压和浪涌电流能力,SiCJBS 较 Si-JBS 具有大电流密度、高工作结温的性能优势。

  SiC MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是以碳化硅为衬底的金属-氧化 物半导体场效应晶体管,可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。在 300V 以下的功率器件领域, Si MOSFET 器件是首选,具有较为理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在 SiC MOSFET 的开发与应用方面,与相同功率等级的 Si-MOSFET 相比,SiC MOSFET(以英飞凌产品为例)的优势有:

  (1)开关损耗低,在 25℃结温下,SiC-MOSFET 关断损耗大约是 IGBT 的 20%,在 175℃的结温下,SiC MOSFET 关断损 耗仅有 IGBT 的 10%(关断 40A 电流),且开关损耗温度系数很小;(2)导通损耗低,当负载电流为 15A 时,在 常温下,SiC MOSFET 的正向压降只有 IGBT 的一半,在 175℃结温下,SiC MOSFET 的正向压降约是 IGBT 的 80%;(3)体二极管续流特性好,在常温及高温下,1200V SiC MOSFET 体二极管仅有 Si MOSFET 体二极管 Qrr 的 10%。因此,SiC MOSFET 电阻、开关损耗大幅降低,适用于更高的工作频率,另由于其高温工作特性,大大提 高了高温稳定性,由此在新能源汽车电机控制器、车载电源、太阳能逆变器、充电桩、UPS、PFC 电源等领域 有广泛应用。

  碳化硅绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor , IGBT)是一种复合全控型电压驱动 式功率半导体器件,是能源变换与传输的核心器件。SiC IGBT 结合了 SiC MOSFET 和 SiC 晶体管的优点,得益 于 SiC 的宽禁带和极高的电压等级,SiC 基 IGBT 的性能与 Si 基 IGBT 最大的差别是动静态特性。正向性是静 态特性的重要组成部分,也就是导通特性,SiC IGBT 的正向导通电阻一般低于 Si IGBT 和 SiC MOSFET,主要 是由于其漂移区厚度小、电导调制更短所致,且 n 沟道 SiC IGBT 相较于 p 沟道的 SiC IGBT 正向特性更优。此 外,动态特性方面,与 Si IGBT 类似,SiC IGBT 由于其材料的特性,导致动态参数有所不同;门极驱动方面, SiC IGBT 的驱动和 Si 基 IGBT 在整体上差别不大,需要考虑到高绝缘性能、低耦合电容、低成本、尺寸、高 效率和高可靠性等因素。

  对于 SiC IGBT,SiC 晶片质量、SiC/SiO2 界面特性、电磁干扰和短路耐受能力等却限制了它的使用,SiC IGBT 的制备存在一系列挑战。(1)碳化硅晶片的质量直接决定其 IGBT 器件的性能、可靠性、稳定性和产率。碳化硅晶圆中材料的固有缺陷和外延生长的结构缺陷会大大降低碳化硅 IGBT 的载流子寿命,高压 SiC 双极型 器件需要很长的载流子寿命来降低导通压降,此外,寿命分布不均匀、不同缺陷密度之间的权衡等各类问题同 样存在。大尺寸、高质量材料和低缺陷密度外延生长工艺都是实现 SiC IGBT 的关键。

  (2)使用 SiO2 来作为栅极的氧化层,带来 SiC/SiO2 界面性能新问题。SiC IGBT 可以像 Si 基的一样较容易形成 SiO2 层,但是在氧化 的过程中,除了近界面陷阱外,还会引入额外的 C 簇,使得 SiC/SiO2 界面陷阱密度远大于 Si/SiO2,导致 SiCMOS的沟道迁移率大大降低;在 4H-SiC IGBT 中,SiO2 中的电场是 SiC 中的 2.5 倍,与 Si IGBT 相比,SiC IGBT中较高的临界电场使得 SiO2 的电场更高。(3)结端扩展(JTE)和场限环(FLRs)是目前 SiC IGBT 的两种主 要终端技术,前者主要用于低压器件,后者用于高压器件,但 FLRs 在高压器件中需要消耗很大的面积。(4) SiC IGBT 仍封装在线绑定的模块中,绑定线失效和焊料的失效是常见的寿命限制因素。因此,从 SiC IGBT 的 原材料到制备工艺到终端技术都存在阻碍 SiC IGBT 商业化的技术难点。

  第三代半导体高速发展,市场红利逐步释放。2019 年及以前,以 SiC 和 GaN 为主的第三代半导体材料处 于发展初期,晶圆设备开发、衬底外延制造、下游器件生产均处于研发阶段且尚未形成规模量产。随着美国、 韩国、日本等半导体强国大力进行第三代半导体的相关研发,2020 年在产业链下游应用爆发的推动下,第三 代半导体正式进入高速发展期。目前,SiC 衬底和外延技术已经可以应用于 8 英寸节点,相较于传统硅晶圆的 12 英寸来说仍有量级差距;SiC 功率器件(SBD、MOSFET)目前广泛用于新能源汽车、光伏、轨道交通等领 域,国际领先企业已实现 MOSFET 器件的量产。此外,中国也发布了多项半导体行业建设政策,旨在打造国 产先进半导体企业,这对第三代半导体的市场扩大具有积极意义。我们认为,第三代半导体已进入高速成长期, 市场红利正在逐步释放,下游应用领域的快速发展将推动 SiC 市场的高增长,并加剧行业竞争。

  目前,SiC 器件在 EV/HEV 上的应用主要包括电机驱动系统逆变器、电源转换系统(车载 DC/DC)、电动 汽车车载充电系统(OBC)及非车载充电桩等方面。基于 SiC 的解决方案使汽车电动系统效率更高、重量更 轻、结构更加紧凑,尽管碳化硅器件成本较高,但它推进了电池成本的下降和续航里程的提升,降低了单车成 本,无疑是新能源汽车最佳选择。其中,SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要应用于 OBC 与 DC/DC,SiC MOSFET 主要用于电驱动。根据 WolfSpeed 预测,新能源汽车是 SIC 器件应用增长最快的市场,预计 2022- 2026 年的市场规模从 16 亿美元到 46 亿美元,复合年增长率为 30%,其中到 2026 年用于电机驱动逆变器仍是 最大市场,占比超过 80%。

  电驱动系统一般由驱动电机、离合器、齿轮箱和差速器组成,这是纯电动汽车传动系统布置的常规形式。在新能源汽车中,功率器件是电驱动系统的主要组成部分,对其效率、功率密度和可靠性起着主导作用。目前, 新能源汽车电驱动部分主要就硅基功率器件组成。随着电动汽车的发展,对电驱动的小型化和轻量化提出了更 高的要求。当前,比亚迪、特斯拉等部分车型已经使用了碳化硅功率器件的电机驱动控制器。特斯拉处在碳化 硅器件应用的前列,其最新产品 Model S Plaid 便使用了以 SiC 为主要材料的电动逆变器,现已成为全球百米 加速最快的车型。此外,特斯拉旗下的 Model Y 和 Model 3 也均采用了 SiC MOSFET 逆变器技术,其续航能 力和逆变效率都有了显著提升,且在 2020 年全球新能源乘用车车型销量中均进入前十。比亚迪推出的“汉” EV 高性能四驱版本也配备了 SiC MOSFET 功率控制模块,是中国首个采用相关技术的车型。新能源汽车新秀 蔚来在 2021 年发布的纯电轿车中,也将会采用 SiC 模块作为电驱动平台。

  电源转换系统 DC/DC 是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器,DC/DC 转换器分为三类:升压 型 DC/DC 转换器、降压型 DC/DC 转换器以及升降压型 DC/DC 转换器,车载 DC/DC 转换器可将动力电池输 出的高压直流电转换为低压直流电。基于碳化硅研制的功率器件,为氢能汽车燃料电池 DC/DC 变换器带来革 命性的创新。开关频率高、功率密度大是 SiC 基功率器件最为显著的优势,相比传统基于 IGBT 模块变换器产 品,开关频率提升 4 倍以上、功率密度提升 3 倍以上,系统平均效率大于 97%,最高效率可达 99%。

  车载充电机(OBC)是完成将交流电转换为电池所需的直流电,并决定了充电功率和效率的关键部件。汽车由内燃机驱动转变为电驱动,最明显的变化就是发动机和油箱分别被电机和电池取代了,同时随之而来的 便是其它辅助器件的增加,如增加了 OBC 为电池充电。SiC SBD、SiC MOSFET 等器件可使得 OBC 的能量损 耗减少、热能管理改善。根据 WolfSpeed,相较于传统的硅基器件,OBC 采用碳化硅器件可使其体积减少 60%,BOM 成本将降低 15%。此外,双向逆变技术是未来 OBC 标配的功能之一,使 OBC 不仅可将 AC 转化 为 DC 为电池充电,同时也可将电池的 DC 转化为 AC 对外进行功率输出;将 OBC 及 DC/DC 等器件进行功能 集成化将会提高成本上、体积上的优势。

  碳化硅材料性能上限高,与新能源车高度适配。目前,传统硅材料在 MOSFET、IGBT、功率 IC 等领域的 器件性能已经逐渐接近极限,已无法适应新兴市场快速发展的变革需要,基于宽禁带半导体 SiC 制造的功率器 件具有更为优越的物化性能。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延,即可得到适用于新能源汽车、光伏、 交通轨道等领域的功率器件。它们相较于硅基器件具有更高的工作温度、击穿电压以及优越的开关性质,其开 关频率和功率频率都轻易突破了传统材料的上限,因此广泛用于新能源汽车等领域。

  在新能源汽车的应用中,SiC 功率器件主要具有以下特点:1)显著降低散热器的体积和成本:在主流的HEV(混合动力汽车)中,车载逆变器的散热器件具有两套水冷系统,冷却温度均在 75-105 摄氏度。由于碳 化硅具有的导热性能几乎为 Si 的三倍,因此在高温环境中 SiC-SBD 具有极佳的优势。若将两套冷却系统合二 为一,HEV 散热器的成本和体积就可以得到有效地改善;2)减小功率模块的体积:SiC功率器件的电流密度、 开关损耗都显著低于 Si 基器件,这使得同样的功率下,SiC-MOSFET 和 SiC SBD 可以在 100kHz 开关频率下工作。SiC功率器件的封装体积显著低于 Si-IGBT,同时高频工作环境也能够减少器件的成本;

  3)提高系统效率:传统 Si-IGBT 的导通电阻较大,在开关过程中具有较大的反向电流,趋于稳定的过程中会产生巨大的损耗。SiC-SBD 器件则具有优越的正向压降和反向电流,可以有效降低器件的损耗,从而进一步提高系统效率。目 前,SBD 是新能源汽车领域应用最成熟的 SiC 器件,MOSFET 在国外范围内也得到了初步地生产和应用。实 际上,SiC-SBD/MOSFET 的耐压范围已经与 Si-SBD(FRD) / Si-MOSFE(IGBT)十分接近,由于耐压范围的全 覆盖,目前无需制作成本更高的 SiC-IGBT 器件,这也意味着碳化硅器件的性能上限要远高于硅基器件。

  新能源汽车市场日益火爆,需求释放推动碳化硅市场快速增长。2020 年,全球新能源汽车市场销量为 400 万辆,其中插电混合动力 PHEV 类占比 37.50%,纯电动BEV 类占比 67.50%,是当前市场的主要品类。我们预计,2021-2025年全球新能源汽车的销量将以 14%的 CAGR 快速增长。同时,中国已成为全球最大的新能源汽 车市场,2020 年总体销量为 116 万台,占全球市场的29.00%,未来五年的 CAGR 预测为 31%。新能源汽车市 场的日益火爆,极大地拉升了碳化硅市场的增长幅度。

  2019 年,全球新能源汽车 IGBT 的市场规模约为 2.25 亿美元,预计该数值 2025 年将为 15.53 亿美元,市场将以 38%的 CAGR 快速增长。同时,新能源汽车市场的 应用也占据了碳化硅器件总市场的 41.59%,预计这一占比将于2025 年提升至 60.62%。目前,用于电机驱动 逆变器的碳化硅功率器件是车用 SiC 产品中最主要且潜在增长空间最巨大的部分,碳化硅在新能源汽车领域的 应用已经达到了批量生产的临界区域,相关下游市场的大量需求正在逐步释放。预计随着新能源车市场渗透率 的进一步扩大,以及功率模块和相关应用的迅速发展,碳化硅市场将在中期内迎来爆发。

  目前,全球的碳化硅厂商也在积极寻求合作,纷纷与先进新能源汽车企业签订协议。特斯拉 Model 3 所采 用的 SiC MOSFET 功率模块正是由意法半导体提供的,且后者与碳化硅领先企业 Woifspeed 签订了 150mm 碳 化硅晶圆扩展协议,旨在为全球的 SiC 晶圆供给加码。此外,意法半导体还于 2021 年 6 月与雷诺集团达成战略合作,以提供用于电动和混合动力汽车的 SiC 功率器件供应,此举旨在降低汽车的电池成本、增加充电里程、 缩短充电时间最终使成本降低近 30%。

  同时,日本先进半导体制造商 ROHM 也于 2021 年 9 月与吉利汽车达 成合作,后者将使用 ROHM 提供的 SiC 功率器件实现高效的逆变效率和充电性能,从而进一步提高用户体验。WolfSpeed 也为郑州宇通集团提供了 1200V 的 SiC 功率器件,后者交付的首辆电动客车采用了碳化硅解决方案。目前,全球顶尖碳化硅器件制造商都纷纷与新能源车企寻求合作,以扩大自身在相关市场的领先地位,新能源 汽车市场的快速发展必将加剧全球碳化硅企业的竞争,预计市场集中度将进一步提高。

  电动电子和逆变器领域,据 ev-sales.blog 数据统计,2021 年包括插电混动、纯电动、燃料电池在内的新能 源乘用车全球销量达到了 649.54 万辆。2021 年特斯拉全球新能源乘用车销量为 93.62 万辆,市占率达 14.4%, 位列全球首位。其中,Model 3 销量为 50.07 万辆,市占率达 7.7%。特斯拉的热门型号车型将保持对 SiC 功率 器件的搭载,结合其较高的市场占有率,这将继续推动 SiC 器件的需求高涨。车载充电系统和电源转换系统方 面,碳化硅功率器件能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率,目前全球已有超过 20 家汽 车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩,可以减小充电桩体积, 提高充电速度。2020 年 12 月,丰田汽车推出并公开发售“Mirai”燃料电池电动汽车,这是丰田汽车首次使用 碳化硅功率器件。预计未来五年内,随着碳化硅相关功率器件在新能能源汽车中的渗透率上升,碳化硅市场将 会迎来更为快速的增长,我们对此抱有乐观预期。

  碳化硅物化性质优越,光伏原材料迭代升级。碳化硅具有较宽的带隙,导热能力近乎达到了硅原料的 3 倍, 在太阳能光伏领域中发挥了重要作用。与传统的 Si 材料相比,SiC 具有极高的击穿电压和较低的导通电阻,因 而其功率器件拥有更好的开关效率并且能高效地进行热量积累。碳化硅制造的高电压 MOSFET 具有优越的开 关性能,其功能不受温度影响,由此能很好地在升温系统中保持稳定效力。此外,SiC MOSFET 也可以在具 备高转换频率的同时,拥有 99%以上的逆变效率。因此,SiC 可以广泛应用于太阳能光伏功率器件,主要包括 光伏逆变器、控制器、功率模组等。尽管碳化硅器件具有较高的制造成本,但其高导热率、高击穿电场、低损 耗等特性,都使得光伏系统效率更高,从而进一步降低成本。无论从光伏产业链上游的材料制造看,还是从下 游应用的高效能看,碳化硅都具有无与伦比的高效能。预计中长期内,碳化硅将会成为太阳能光伏领域功率器 件的主要制造原料,同时带动产业链整体实现迭代升级。

  光伏新能源市场发展空间广阔,碳化硅材料仍有较大潜在空间。2018年我国能源消费中煤炭消费占比高 达 59%,风光等优质能源消费占比仅 4%。而根据“十四五”规划要求,2025 年要实现单位 GDP 能源消耗降 低 13.5%,光伏等新能源产业发展空间广阔。2020 年,全球光伏能源需求为 130GW,乐观情况下预计 2025 年 该项指标将到达 330GW,以 20.48%的 CAGR 快速增长。即使在保守情况下,全球光伏需求也将以 15.74%的 CAGR 提升,预计 2025 年实现 270GW 的广泛需求。

  同时,2019年全球太阳能光伏碳化硅 IGBT 市场规模约为 1.25 亿美元,未来五年内将以 17%的 CAGR 快速增长,预计 2025 年将到达 3.14 亿美元。目前,全球的光伏IGBT 市场规模约为 23 亿元,碳化硅器件占比约为 35%,该渗透率仍将继续增长。我们认为,随着全球光伏需求的进一步增长,以及碳化硅 IGBT 器件渗透率的不断提高,表现强势的太阳能光伏市场将持续拉升对碳化硅 的需求,并进一步推动碳化硅功率器件市场的快速增长,碳化硅材料增长潜在空间仍然巨大。

  光伏功率器件性能显著,诸多领先厂商纷纷加码。在光伏太阳能领域中,以硅为原料制作的逆变器成本约为系统总体的 10%,但却是能量损耗的来源之一。然而,以碳化硅为基础的 MOSFET 和功率模组可以将光伏 逆变器的转换效率从提高至 99%以上,能量损耗可以减少 50%以上,设备寿命提高 50 倍左右。目前,国外领 先碳化硅功率器件厂商意法半导体、ROHM 都已实现了 MOSFET 器件的量产,并将广泛应用于光伏太阳能领域。同时,国际著名半导体器件制造商 Onsemi已推出了适用于光伏逆变器的 SiC 功率模组,该模组集成了 1200V 40m的 MOSFET 和升压二极管,将较好地提升逆变器的性能效率。

  著名太阳能和光伏组件制造商 Tainergy Tech 也已成立相关子公司,专门生产用于 GaN 外延的 SiC 衬底,并且致力于实现碳化硅对自身业务发展的良好推动。国内方面,三安集成也已完成 SiC 器件的量产平台打造,其首发产品 1200V 80m碳化硅 MOSFET 已实现了一系列性能和可靠性测试,可应用于光伏系统组成。此外,露笑科技和斯达半导体也积极 投入碳化硅器件生产,并广泛布局光伏业务。目前,无论是领先的半导体器件制造商,还是先进的太阳能光伏 组件企业,都积极投入碳化硅IGBT,并使其广泛应用于光伏领域。我们预计,未来五年内碳化硅功率器件将更为广泛地应用于光伏市场,后者亦将为 SiC 器件带来至少 15%以上的快速增长。

  中国累计充电桩数量创新高,车桩比例趋向合理。截止 2021 年 7 月,中国累计充电桩数量约为 201 万台, 同比增长 20%,近六年 CAGR 为 76.69%,整体呈现爆发式增长。目前,新能源汽车充电桩分为公共、专用和 私人用类,还可以分为交流充电和直流充电两类。2020年我国主要以私人和交流充电桩为主,两者分别占比 57.45%和 61.67%,是碳化硅器件的主要应用方向。然而,我国充电桩数量仍然低于 480 万的预期规划,供不应求仍将推动充电桩数量迅速增长,从而创造巨大的市场需求并推动行业增长。

  同时,2015-2020 年中国系能 源汽车和充电桩比例不断下降,从 6.36 收窄至 2.93,充电桩供应迅速提高。尽管充电配套设施整体有所改善, 但仍然低于比例为 1 的预期目标,市场仍具有较大的增长空间。基于 IEA 预测,预计 2025年全球充电桩保有量将达到 4580-6500 万个,私人充电桩预计为 3970-5670 万个,公共充电桩保有量约为 610-830 万个,整体数 量迅速增长且仍以私人充电类型为主。与此相适应的,预计 2025 年中国新能源汽车保有量将突破 2500 万辆, 则充电桩数量推算约为 800 万个,复合增长率将达到 41.42%左右,市场预期状况良好。因此,我们认为中国 以及全球的充电桩需求仍存在较大的增长空间,车桩比例仍将进一步趋近合理化,从而推动碳化硅市场的发展。

  充电桩市场增长迅速,碳化硅器件助力充电桩性能升级。2019 年中国新能源汽车充电桩市场需求规模约 为 540 亿元,同比增长 29%。预计 2025 年,中国充电桩市场将以 28.27%的 CAGR 达到 2400 亿元,成长潜力 十分巨大。实际上,SiC MOSFET 和二极管产品具有耐高压、耐高温、开关频率快的特性,可以很好地用于 充电桩模块。与传统硅基期间相比,碳化硅模块可以增加充电桩近 30%的输出功率,并且减少损耗高达 50% 左右。同时,碳化硅器件还能够增强充电桩的稳定性,减小器件系统体积,降低成本并进一步增加碳化硅 IGBT 器件在充电桩市场的渗透率。目前,新能源汽车充电桩中碳化硅器件的渗透率仅为 10%左右,仍然具有 很大的潜在发展空间。2019 年,全球充电桩碳化硅器件市场规模约为 5 百万美元,预计 2025 年将增长至 2.55 亿美元,未来六年 CAGR 高达 90%,增长十分迅速。预计随着碳化硅期间渗透率的提高,充电桩需求的持续 上涨,配套设施的进一步完善,全球充电桩碳化硅器件市场仍将持续增长,从而引起碳化硅市场的高度火热。

  罗姆等碳化硅器件领先企业进入充电桩市场,相关领域技术研发进一步加速。目前,ROHM 已经推出了 基于碳化硅的充电基础设施解决方案,从而应用于高效和小型化的大功率充电桩。首先,针对单向充电桩罗姆 提出使用 FRD、SiC MOS 和 SBD 的解决方案,可以很好地提高功率密度和充电效率。ROHM 通过高耐压的 1200V 碳化硅 MOSFET 来削减器件个数,从而进一步降低充电桩的体积。其次,针对双向充电桩罗姆提出了 三相 B6-PFC 拓扑方案,通过使用 1200V 的 SiC MOSFET 和全碳化硅功率模块,制造具备多功能的小型充电 桩。此外,安森美也在开发用于直流充电桩的碳化硅功率器件和模块,希望构建更高功率的充电方式,并通过 AC-DC 和 DC-DC 级的升压转换器提高充电效率。由此可见,碳化硅器件龙头都在进行充电桩技术模块的研发, 英飞凌、WolfSpeed、STM 等公司都在积极进入碳化硅充电桩市场。预计未来,充电桩市场将会迎来更多的发 展机遇,领先企业将发挥龙头效应,与政府机构积极合作,构建更完好的充电桩生态系统。(报告来源:未来智库)

  国际上 6 英寸 SiC 衬底产品实现商用化,未来占据市场份额主流地位。目前,全球市场上 6 英寸 SiC 衬底 已实现商业化,且在未来几年里 6 英寸衬底将占据市场主要份额。此外,主流大厂也陆续推出 8 英寸样品,微 管密度达到 0.62,预计 5 年内 8 英寸将全面商用。当前,WolfSpeed 公司能够批量供应 4 英寸至 6 英寸导 电型和半绝缘型碳化硅衬底,且已成功研发并开始建设 8 英寸产品生产线 月,意法半导体就宣布其 可制造出首批 8 英寸 SiC 晶圆片。随着碳化硅基电子电力器件的逐步推广与应用,大直径衬底可以有效降低器 件制备成本,以 6 英寸衬底为例,使用直径 150mm 的衬底相较于 4 英寸的衬底能够节省 30%的器件制备成本。

  碳化硅衬底制备面临多重技术挑战,降低结晶缺陷密度技术使得制备成本增加。碳化硅衬底制备主要有以 下技术难点:

  (1)碳化硅衬底制备过程中,碳化硅单晶的制备对于温度场设计要求较高。适宜的温度场是制备 碳化硅单晶的基础,不适宜的温度场极易导致单晶开裂等问题。此外,随着碳化硅衬底直径的增加,温度场的 设计及实现难度也在增加。(2)降低结晶缺陷密度。衬底中结晶缺陷(如:微管、穿透性螺位错(TSD)、基平 面位错(BPD))会对器件造成负面影响。由于碳化硅较高的生长温度,为降低结晶缺陷密度,传统的工艺条件 (如掩膜法)已经不能满足低结晶缺陷密度单晶的生长,势必需要导入新工艺,增加工艺复杂性,这会推高单晶成本。因此,需要投入较长的时间及较大的物料成本研发新工艺,较长的研发周期可能会阻碍衬底单位面积 成本的下降,且随着单晶生长厚度的增加,单晶残余内应力迅速增加,这会导致单晶结晶质量下降甚至导致单 晶开裂等问题,如何有效兼顾单晶可用厚度及单晶结晶质量存在较大难度。

  当前,国内厂商碳化硅衬底生产的技术指标与国际主流厂商相比仍有明显差距。衬底主要的三个几何参数 为 TTV(总厚度偏差)、Bow(弯曲度)及 Wrap(翘曲度),国内厂商与国外领先厂商仍存在明显差距。此外, 产品的一致性问题是难以攻克的短板,国产衬底目前较难进入主流供应链。具体来说,国产衬底技术短板以及 一致性问题主要包含两个方面:(1)由于国内厂商起步相对较晚,在材料匹配、设备精度和热场控制等技术角 度需要长时间的专门知识累积;(2)国内厂商的客户较少且比较分散,客户的反馈速度更慢,反馈内容不彻底。相比较起来,WolfSpeed 的产品线覆盖衬底、外延、器件乃至模组,后端反馈充分且及时。因此,国内厂商的技术差距直接导致衬底综合性能较差,无法用于要求更高的产线中;一致性问则表示优质衬底比例较低,直接 导致衬底的成本大幅上升,上述两点导致国内厂商制造的衬底还无法进入主流供应链。

  当前外延主要以 4 英寸及 6 英寸为主,大尺寸碳化硅外延片占比逐年递增。碳化硅外延尺寸主要受制于碳 化硅衬底尺寸,当前 6 英寸碳化硅衬底已经实现商用,因此碳化硅衬底外延也逐渐从 4 英寸向 6 英寸过渡。在 未来几年里,大尺寸碳化硅外延片占比会逐年递增。由于 4 英寸碳化硅衬底及外延的技术已经日趋成熟,因此, 4 英寸碳化硅外延晶片已不存在供给短缺的问题,其未来降价空间有限。此外,虽然当前国际先进厂商已经研 发出 8 英寸碳化硅衬底,但其进入碳化硅功率器件制造市场将是一个漫长的过程,随着 8 英寸碳化硅外延技术 的逐渐成熟,未来可能会出现 8 英寸碳化硅功率器件生产线。

  碳化硅外延主要解决外延晶片均匀性控制和外延缺陷控制两大问题。(1)外延晶片均匀性控制方面,由于 外延片尺寸的增大往往会伴随外延晶片均匀性的下降,因此大尺寸外延晶片均匀性的控制是提高器件良率和可 靠性、进而降低成本的关键。(2)外延缺陷控制问题。基晶面位错(BPD)是影响碳化硅双极型功率器件稳定 性的一个重要结晶缺陷,不断降低 BPD 密度是外延生长技术发展的主要方向。由于物理气象传输法(PVT)制 备碳化硅衬底的 BPD 密度较高,外延层中对器件有害的 BPD 多来自于衬底中的 BPD 向外延层的贯穿。因此,提 高衬底结晶质量可有效降低外延层 BPD 位错密度。随着碳化硅器件的不断应用,器件尺寸及通流能力不断增加, 对结晶缺陷密度的要求也不断增加,在未来技术的进步下,碳化硅外延片结晶缺陷密度会随之不断下降。

  碳化硅中高压功率二极管商业化产品逐年增多,主要以碳化硅 SBD 和结势垒型 JBS 器件为主。2020 年, 国际上有超过 20 家公司量产碳化硅二极管系列产品,击穿电压主要分布在 600V-3300V,根据 Mouser 数据显 示,2020 年共有约 800 款碳化硅 SBD 产品在售,较 2019 年新增 122 款,中高压商业化产品逐年增多。碳化硅 SBD 器件当前在专利设计方面几乎没有壁垒,国内领先企业如派恩杰已经开始第六代碳化硅 SBD 的研发,与国 外差距较小。而碳化硅 SBD 器件制造产线方面,国内外差距较为明显,国内碳化硅 SBD 制造产线多数处于刚通 线的状态,还需经历产能爬坡等阶段,离大规模稳定量产还有一定距离。

  当前,碳化硅 MOSFET 制备技术要求较高,碳化硅 MOSFET 采用沟槽结构可最大限度地发挥 SiC 的特性, 栅级氧化物形成技术挑战较高。平面 SiC MOSFET 的缺陷密度较高,MOSFET 沟道中电子散射降低沟道电子迁移 率从而使得性能下降,即沟道电阻上升、功率损耗上升而沟道电流下降。由于 SiC MOSFET 的 N+源区和 P 井掺 杂都是采用离子注入的方式,在 1700℃温度中进行退火激活,一个关键的工艺是 SiC MOSFET 栅氧化物的形成, 而碳化硅材料中同时有 Si 和 C 两种原子存在,因此需要非常特殊的栅介质生长方法。

  碳化硅 MOSFET 质量不断改善推动产品商业化。自 2010 年以来,碳化硅功率 MOSFET 在汽车、光伏及铁路 等多个市场取代硅技术,科瑞公司于 2011 年推出了市场上第一个垂直 N 沟道增强型碳化硅功率 MOSFET,碳化 硅 MOSFET 市场规模不断扩大。当前,碳化硅 MOSFET 的质量不断改善,已基本达到业界使用的要求。以市售的 1200V 碳化硅 MOSFET 为例,其沟道迁移率已经提高到适当水平,多数主流工业设计的氧化物寿命达到了可接 受的水平,阈值电压变得越来越稳定。因此,在碳化硅 MOSFET 质量不断改善的激励下,目前其商用在不断推 进,市场上有多家供应商可以供应生产水平量的碳化硅 MOSFET。

  碳化硅 MOSFET 国外厂商已实现量产,MOSFET 稳定性需要时间验证。目前英飞凌、ST、罗姆等国际大厂 600-1700V 碳化硅 SBD、MOSFET 均已实现量产,而国内所有碳化硅 MOSFET 器件制造平台仍在搭建中,部分公 司的产线仍处于计划阶段,离正式量产还有很长一段距离。同时,最新的 Gen 4 Trench SiC MOSFET 专利被国 外公司掌握,未来可能存在专利方面的问题。产线方面 WolfSpeed、英飞凌等已开始布局 8 英寸线,而国内厂 商还在往 6 英寸线过渡。此外,碳化硅 MOSFET 的产品稳定性需要时间验证。根据英飞凌 2020 年功率半导体应 用大会上专家披露,目前 SiC MOSFET 真正落地的时间还非常短,在车载领域才刚开始商用(Model 3 中率先 使用了 SiC MOS 的功率模块),一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证,SiC MOSFET 在车载 和工控等领域验证自己的稳定性和寿命等指标需要较长时间。

  近年来,全球发达国家及中国不断推出相关政策支持第三代半导体材料发展。据不完全统计,2002 年2019 年,美国共计出台了 23 项第三代半导体相关的规划政策,总投入经费超过 22 亿美元。2020 年全年,虽 然美国并未正式出台相关政策,但本年度相关提案涉及的经费超过 480 亿美元。2020 年,欧盟 24 个国家中有 17 个国家联合发布了《欧洲处理器和半导体科技计划联合声明》,宣布了未来 2-3 年内对半导体领域的投入将 达到 1450 亿欧元。韩国于 2020 年 6 月,抛出万亿韩元半导体振兴计划,从 2020 年到 2029 年在系统级芯片 (SoC)领域投资总计 1 万亿韩元(约 59 亿元人民币)。日本大力巩固第三代半导体领域技术优势,日本经产 省准备资助日企和大学围绕 GaN 材料部署研发项目,预计 2021 年将拨款 2030 万美元,未来 5 年斥资 8560 万 美元。我国自 2015 年发布《中国制造 2025》规划以来,近五年不断推出相关产业政策,大力支持国内第三代 半导体材料的发展。

  在宽禁带半导体产业的政策支持和行业快速发展刺激下,国内厂商开始布局碳化硅产业链。当前,在国内 政策支持和行业发展吸引下,国内诸多企业开始进入第三代半导体产业链制造中,如露笑科技、三安光电、天 通股份等上市公司均已公告进入碳化硅领域;斯达半导在今年 3 月宣布加码车规级 SiC 模组产线;而比亚迪半 导体、闻泰科技、华润微等也有从事 SiC 器件业务。此外,天科合达、山东天岳等国内厂商也都走在扩产路上。2021 年 8 月,山东天岳子公司上海天岳总投资 25 亿元计划建设碳化硅半导体材料项目开工,在达产年将形成 年产导电型碳化硅晶锭 2.6 块,对应衬底产品 30 万片的产能。项目计划于 2022 年试生产,预计 2026 年 100% 达产,其中 6 英寸半绝缘型衬底预计在 2023 年形成量产。湖南三安半导体基地一期项目于 2021 年正式投产, 该项目将打造国内首条、全球第三条碳化硅全产业生产线,项目全面建成投产后,月产能将达到 3 万片 6 英寸 碳化硅晶圆。

  随着碳化硅衬底制备技术的提升及产能扩张,碳化硅衬底及外延单位面积价格或将下降。目前主流厂商均 有能力制备低微管密度衬底(1/cm2),TSD、BPD 密度的降低将会成为衬底厂商研发工作的重点,因此预计衬 底中的 TSD 及 BPD 密度将会不断下降。此外,随着衬底直径不断扩大、单晶可用厚度不断增加,单位面积衬底 成本将不断降低。伴随大直径衬底占比不断提高,衬底单位面积生长成本下降,以直径 150mm 单晶与直径 100mm 单晶为例作比较,150mm生长成本大约为 100mm 的 1.5-2 倍,可用面积却是 100mm 的 2.25 倍。

  当前单晶 可用厚度在不断增加,以直径 100mm 单晶为例,2015 年前大部分单晶厂商制备单晶平均可用厚度在 15mm 左右, 2017 年底已经达到 20mm 左右,预期单晶的平均可用厚度仍会持续增加。据半导体时代产业数据中心(TD)预 测,在 2020 年至 2025年期间,碳化硅晶片在半导体领域出货量的复合增长率将达到 43.8%,到 2025 年还将 达到 80 万片,可大规模应用于电动汽车等领域,碳化硅衬底价格有望下降。碳化硅衬底是碳化硅外延的主要成本来源,未来单位面积价格有望下降。在外延价格构成中,衬底占据了外延 50%以上的成本,随着衬底价格 下降,碳化硅外延价格也有望降低。碳化硅外延的成本构成还包括设备、厂务和人工成本部分,随着设备的改进,此类成本也将降低。随着客户对外延质量要求的提高,研发和良率损失部分成本也将保持在 7%左右。

  碳化硅电力电子器件价格进一步下降,与同类型 Si 器件价差缩小。当前碳化硅器件成本约为硅的 4-5 倍, 而器件的主要成本来源是碳化硅衬底,在上游衬底材料商纷纷扩产后,未来 2-3年碳化硅衬底供应加大,衬底 价格下降有望带动碳化硅器件的成本下降。以汽车级碳化硅 MOSFET 器件为例,由于使用碳化硅 MOSFET 器 件可以大幅提高汽车性能,目前是新能源汽车电机控制器、车载电源器件制备的首选,但受制于碳化硅衬底产 能的影响当前价格较高。2020 年受疫情影响,产品供货周期延长,但从全年情况来看,碳化硅器件有所下降, 与传统产品的价差持续缩小。

  碳化硅器件成本以衬底制造为主,全球市场国外企业具备领先地位。碳化硅市场产业链主要分为晶圆衬底 制造、外延片生产、碳化硅器件研发和装备封装测试四个部分,其中碳化硅衬底是产业链的核心区域,占据市场总成本的 50%左右。此外,碳化硅外延片和器件制造分别占据产业成本的 25%和 20%,同样是市场成本的 主要贡献者。封测分为封装和测试两个部分,是芯片和器件完成制造后进行性能试验的重要环节,由于程序和 设备依赖程度相对较低,整体占比仅为总成本的5%。实际上,由于具备晶体生长过程繁琐,晶圆切割困难等特点,碳化硅衬底的制造成本一直处于高位。其次,碳化硅外延的质量对器件性能影响较大,同时外延自身也 受到衬底质量的影响,其材料具有高品质的需求,因而在产业链中具备较高的成本。

  外国企业占据市场主导地位,行业集中度高。全球碳化硅衬底市场目前仍以国外企业为主,2020 年上半 年科锐(WolfSpeed)、罗姆(ROHM)、II-VI、昭和电工、天科合达五家企业合计市场占比分别达到 91%,市场高 度集中。其中,WolfSpeed 独占 45%的市场份额,是全球的龙头企业,且国外企业合计占比超过 85%,占据 市场主导地位。目前,碳化硅市场以 IDM 为主要运作模式,WolfSpeed、ROHM 和 STM 都是领先的 IDM 企业, 后两者均通过收购的方式成功进入碳化硅衬底和外延市场,II-VI 则是传统的衬底和外延片生产商。国内企业 中,山东天岳和天科合达都致力于衬底领域,瀚天天成、东莞天域则主要覆盖外延片,华润微、基本半导体等 企业则集中进行期间生产。

  目前国内暂未出现碳化硅的 IDM 企业,且整体份额占比较小,但受益于政策利好 等因素,国产替代进程仍在不断加快。2020 年伴随着电动汽车、5G 基站、物联网等领域的快速发展,碳化硅 市场也迎来了高度景气。然而,2019年全球碳化硅市场规模约为 5.4 亿美元,预计 2025 年将突破 25 亿美元, 相较于传统硅半导体市场来说规模仍然较小。尽管行业目前集中度高,但领先企业仍将面临来自其他公司的激 烈威胁,其业绩在中长期内将有波动风险。国内企业仍可抓住快速发展期,实现衬底和外延等技术更迭。

  国外龙头已突破 8 英寸节点,国内企业竞争劣势明显。2020 年,碳化硅衬底的技术节点主要分布在 4-6 英 寸,而国际主流企业 WolfSpeed、II-VI 和 STM 已经实现了 8 英寸衬底样品的研发,技术水平位居全球首位。目前,国内外主流企业均已实现 4-6 英寸晶圆的规模化生产,但国内的 8 英寸晶圆仍处于研发阶段。尽管国内 企业在 4-6 英寸衬底的技术实力可以与国际先进水平相媲美,但仍然存在较多的不利竞争因素。首先,碳化硅 半导体属于资金、人才和技术密集型行业,由于国内 SiC 产业起步较晚,整体来说仍然受到发展限制。其次, 碳化硅企业需要大量的资本支出和技术投入,国内企业的融资渠道较为单一,这较大地限制了公司的发展空间 和竞争力。国内外公司还在产能供给方面存在较大差异,国际一流厂商均已建立十分完善的 2-6 英寸碳化硅衬 底工厂,国内企业受到自身瓶颈限制,产能供应仍处于相对劣势地位。

  国产替代进程加快,半绝缘型衬底进步显著。目前,国内企业在 2-6 英寸的半绝缘型和导电型碳化硅衬底 领域均已实现部分国产替代,8 英寸晶圆也在研制过程中。2020 年,山东天岳在半绝缘型的碳化硅衬底市场中 已占据 30%的市场份额,与国际龙头 WolfSpeed 和 II-VI 相比差距很小。实际上,该数值在 2019 年仅为 18%, 山东天岳在一年内将市占率提高了 12 个百分点,进入行业第一梯队。而在导电型碳化硅衬底市场,2018 年 WolfSpeed 以 62%的市占率位居全球首位,其次为 II-VI 和 ROHM,三者合计占比达 90%。天科合达和山东天 岳的全球市占率合计不足 5%,但随着公司技术水平不断提升以及产能释放,预计两者在导电型衬底领域的市 占率将会进一步提升。尽管国外企业在两类衬底市场均占据领先地位,但山东天岳已经快速实现半绝缘型碳化 硅衬底的进口替代,同时天科合达也在积极推进导电型衬底的技术研发,国产替代进程将持续突破。

  国外企业技术领先,国产供给仍在提高。目前,碳化硅衬底具有两类外延片:1)半绝缘型:该类衬底通 常与 GaN 外延结合形成异质晶圆,并主要用于生产微波射频器件;2)导电型:该类型衬底与 SiC 外延结合产 生同质晶圆,主要用于新能源汽车等领域的功率器件生产。WolfSpeed、ROHM、II-VI 和 STM 均覆盖了 SiC 外延的生产业务,基本可以实现在 6 英寸衬底上进行外延生产,并且可以实现 250 微米及以上的厚层生长。此 外,国外企业在小于 12 微米和大于 30 微米的外延片均具有良好的成品率和质量控制,国内企业则存在质量不稳和缺陷密度高的问题。瀚天天成和东莞天域均已完成了 3-6 英寸碳化硅外延的研发和生产,并为全球提供 N型和 P-型外延掺杂材料。此外,中电科十三所、五十五所等也拥有碳化硅衬底的供应部门。

  国内企业瀚天天成已实现 3-6 英寸的外延供给,同时还可生产用于 600-1700V 的碳化硅功率器件的外延片。目前,公司一期产能约为 6 万片每年,在纯碳化硅外延生产商中其产能位居全球前列。同时,公司将建设 10 条 6 英寸的碳化硅外延生产线 万片每年,以满足日益增长的订单需求。东莞天域目前 也是全球碳化硅外延片的主要生产商之一,早期已经实现 3 和 4 英寸的外延片产业化供给,目前也可提供 6 英 寸外延片和相关碳化硅功率器件产品。此外,中电科也从事 4-6 英寸的碳化硅外延生产,同时还提供 N-型 4HSiC 衬底和高纯 4H-SiC 衬底材料。目前,国内外在碳化硅外延层面的技术差别相对较小,均可满足 3-6 英寸的 各类外延片生产,国内企业的供给量也在逐年提升,逐步成为全球主要的供应商。

  国外企业器件技术发展较快,新能源汽车为主要应用领域。2017年全球碳化硅器件市场主要由国外企业 领导,WolfSpeed、ROHM、Infineon、STM 市占率分别为 26%、21%、16%和 7%,合计占比为 70%,市场集 中度较高。目前,国外企业基本实现了 MOSFET 的完备研发和大批量销售,碳化硅二极管和功率模块等产品 也早已实现大批量出货。然而,国内企业基本聚焦于二极管产品的生产,MOSFET 仍处在积累阶段。实际上, 国内企业泰科天润目前以碳化硅肖特二极管为核心产品,可以提供 600-3300V 的功率器件,主要用于新能源汽车、轨道交通等领域。基本半导体集中研发 SiC 功率器件,主要产品包括二极管和 MOSFET 模块等,广泛用 于能源发电、新能源汽车等领域。华润微已实现第四代 650V 的 SiC JBS 产品研发,综合技术质量已达世界先进水平,同时其 1200V 的 SiC MOSFET 也已完成样品制造,预计将在未来两年内进行规模生产。

  斯达半导体 新增多个使用全SiC MOSFET 模块的 800V 系统的主电机控制器项目定点,将对公司 2023 年-2029 年 SiC 模块销售增长提供持续推动力。士兰微同时也加快 SiC MOSFET 功率器件的研发,推出自产芯片的车用 SiC 功 率模块。目前,全球碳化硅功率器件主要应用于新能源汽车、电源、光伏等领域,三者占比分别为 30%、22% 和 15%。世界龙头企业已与特斯拉等著名电动车企形成合作,致力于碳化硅功率器件和模组的供应。同时,我 国基本半导体也与特斯拉形成合作,进行碳化硅 MOSFET 模块的研发。尽管我国在技术层面和器件出货进度 方面与国际领先企业仍有一定差距,但预计随着未来产能释放和技术进步,国内外企业将逐步缩小差距。

  科锐(WolfSpeed)成立于 1987 年,是一家开发制造半导体材料和设备的美国公司,也是全球碳化硅基半 导体材料及器件龙头。该公司主要基于碳化硅、氮化镓和相关化合物生产半导体材料以及发光二极管、照明、 电源盒射频等半导体产品。WolfSpeed 最初拥有四大业务部门:WolfSpeed、LED、照明业务和电源及射频业务。由于 LED 和照明业务部门利润下降,而专注于制造碳化硅材料的 WolfSpeed 的增长速度超越其他业务,因此 公司先后出售了其他三大业务部门,现已完全转型为以 SiC 和 GaN 为主的半导体企业。WolfSpeed 部门目前 主要生产 SiC 和 GaN 衬底及外延,并且将半导体材料广发应用于电源、射频、功率器件等领域的生产。2020 年上半年 WolfSpeed 在碳化硅衬底市场的占有率为 45%,在碳化硅器件市场占有率为 26%,均位居首位。

  业务结构重大调整,公司业绩触底。2021 财年公司实现营业收入 5.26 亿美元,同比下降 41.85%,系公司 出售其 LED 业务引起的大幅收窄。2012 至 2019 年,随着照明市场竞争日趋激烈,科锐照明业务的毛利率低于 公司总体毛利率,且呈现逐年下降的趋势。由于照明业务业绩表现不佳,公司于 2019 年将该业务出售,同年 年营收同比下降 27.70%,该消极影响一直持续至 2020 财年。与此同时,公司于 2020 年同样因毛利原因将其 LED 业务出售,公司完全转型为半导体材料和器件供应商。受益于其他业务的出售,科锐将有充足的资金持 续投资研发半导体,并广泛利用汽车、5G 和工业领域等终端市场增强业绩。预计随着 SiC 和 GaN 市场的持续 景气,科锐有望以市占率第一的地位实现业绩的触底反弹,并且在中长期内维持快速增长。此外,2015 年起 公司净利润由正转负,2021 财年报净利润为-5.24 亿美元,系主营业务毛利率表现不佳和后期相关业务出售所 致。预计随着高毛利的半导体业务持续增长和费用管控,公司的净利润有望在未来几年内扭转为正。

  欧美成为公司销售重心,业务结构单一带来风险波动。自 2012 年以来,科锐在中国大陆的销售占比持续 收窄,该情况于 2018 财年的业务结构更改后有所缓解,但因公司出售其 LED 业务而于 2021 年达到历史低点。2021 年欧洲、美国和中国大陆销售额分别为 1.89、1.17 和 1.00 亿美元,三者合计占比超过 75%。目前,公司的销售重心位于欧美,这与其更为成熟的 SiC 市场相关。然而,中国已成为全球最大的半导体市场,且在政策 扶持和终端市场的快速增长下,其 SiC 和 GaN 方面将迎来爆发期。预计公司的销售情况会向中国大陆有所偏 移,业绩表现也将因此而持续改善。

  半导体研发成效显著,公司应推进费用管控。2021 年 WolfSpeed 的研发支出为 1.78 亿美元,同比下降 3.47%,占营收比例为 34%。整体来看,公司的研发支出一直保持稳定,在剥离业务期间研发费用的波动较小, 且公司在 2020 财年大幅增加了该项支出。目前,公司已经研制出了 100-150mm 的 SiC 衬底和相应的碳化硅和 氮化物外延技术,并完成了首批 200mm 碳化硅晶圆的样品制备。其研发费用大量投资于 200mm 的 SiC 材料 制造,同时用于扩充产能,其他部分则广泛用于提高衬底和外延质量、高性能的功率和射频器件开发。2021 年 8 月公司与意法半导体签订了扩大现有 150mm 碳化硅晶圆的供应协议,WolfSpeed、将在未来几年向意法提 供 150mm 的 SiC 衬底和外延片。此举将为 WolfSpeed 带来稳定的收入来源,并有助于公司度过目前的虚弱阶 段。2021 年公司的毛利率为 34.25%,同比上升近 8 个百分点,出售业务带来的毛利提升成效显著。同时,净 利率-99.68%,为近十年来历史低点,系研发和销售费用大幅上升所致。(报告来源:未来智库)

  罗姆是全球著名半导体厂商,以制造和销售半导体、集成电路和电子元件为主,产品包括 IC、二极管、 LED、SiC 功率器件等。罗姆公司以高功率、模拟、标准产品这三个产品系列为中心,加速技术开发。公司拥 有三大产品部门:(1)IC:该部门主要负责集成电路的生产和销售,主要产品包括 DRAM、驱动器 IC、通用 IC、传感器 IC 等;(2)分立半导体器件:该部门进行以 Si 和 SiC 为材料的半导体器件制造,包括 MOSFET、 晶体管、二极管、LED、碳化硅功率元器件等;(3)模块:该部门主要负责无线通信模块和打印头的生产,主 要包括 Wi-Fi 模块、LAPIS、传真打印头;此外,公司还具备无源设备、芯片组的生产能力以及晶圆、MEMS 和先进封装的代工服务。2020 年上半年 ROHM 在 SiC 衬底市场的占有率为 20%,在 SiC 器件市场的占比为 21%,均位居全球第二位,其子公司 SiCrystal 专注于 SiC 衬底的生产。

  公司受疫情影响严重,市场景气或将推动营收回暖,。2021 财年罗姆的营业收入为 32.54 亿美元,同比下 降-3.51%,这是自 2018 财年的历史高点后连续第三个下降的年份,但降幅逐步收窄。受到新冠疫情的影响, 全球集成电路、半导体器件、打印头和光学模组市场都出现了下行风险,市场整体表现不佳。同时,上游零件 和材料的采购端也受到疫情的消极影响, ROHM 所覆盖的其他市场均表现迟缓,这些因素均较大地影响了公司的销售收入。

  这些市场从 2020 年第三季度开始表现出一定的回暖趋势,受益于全球芯片供应短缺以及电动 汽车和电子射频器件等终端市场的高度景气,下游产品需求上涨从而推动了营收下降幅度收窄。当前,随着疫 苗接种率提升,全球疫情好转,市场对电子产品的需求逐渐上升以及半导体下游各类利好政策等因素,半导体 行业仍将处于高景气状态。然而,尽管中长期内电动汽车、5G 终端市场以及半导体行业仍将维持高度景气, 但疫情反复和 SiC 市场的竞争格局加剧仍将对公司造成不利影响。2021 年罗姆报净利润 3.35 亿美元,同比增 长 40%,系成本和各项费用较去年均出现下降。全球疫情反复下,预计公司将持续控制成本和费用支出,这可能会降低同期的营收增长,但利润表现或将持续平滑。

  亚洲为公司销售重心,IC 和半导体器件为收入核心。2021 年 ROHM 在日本的销售额为 11.55 亿美元,亚 洲其他地区为 17.30 亿美元,分别占比为 36%和 53%,亚洲是公司的绝对销售重心。同时,2020 年公司在中国 的销售额为 9.46 亿美元,占比 28.05%,是日本之外最大的销售地区。ROHM 在中国已形成了以 4 家销售公司 和 18 家分公司为结构的销售网络,同时中国也是其广泛的技术支持基地。罗姆建立了包括各类产品研发、销 售和技术支持在内的综合服务系统,用以积极拓展海外客户并且成功推动了收入和市场份额的增长。2021 财 年公司的海外收入并没有大幅收窄的情况,但疫情的消极影响仍使得相关业务的预期存在较大的不确定性。此 外,随着中国半导体和电动汽车市场的快速发展以及政策支持,公司在中国的销售额或将保持稳定甚至增长, 这将作为短中期内 ROHM 营收稳定的基石因素。

  2021 年 ROHM 的 IC 和分立半导体器件业务的营收额分别为 15.20 和 12.87 亿美元,两者合计占比超过 85%,是公司的核心收入部门。公司拥有完整的 Si 和 SiC 产业链,涵盖衬底生长、外延制备以及器件生产的 全套工序,这种垂直的综合业务体系不仅能保证产品和材料的稳定供应,也可以满足客户灵活多样的需求。与 此同时,ROHM 也在持续开发生产线,并外包半导体的封装测试工序来建立新型的供应系统,以此跟进市场 变化同时满足各类需求。公司稳健的半导体部门为其 IC 器件的生产奠定了基础,长期来看半导体部门的持续 增长支撑了 IC 业务的稳定占比。受到半导体市场的利好因素影响,预计公司的两项核心业务将有可能实现稳 中有增,但仍需注意来自疫情和市场竞争格局加剧的中期风险。

  公司研发支出受疫情有所下降,创新与研发仍是关键要素。2020 年 ROHM 的研发支出为 2.85 亿美元,同 比下降 8.09%,占营收比例为 8.76%。受新冠疫情影响,近两个财年公司强力减少了各项费用支出,但公司的 研发费用基数在半导体行业中仍位居前列。近年来,随着汽车电子以及物联网等市场的智能化发展,半导体产品在新兴领域中的需求正在急速增长。ROHM 打造了一套完整的研发方案,以电力电子、传感器、AI 为核心 进行研发突破,完成了汽车、工业设施以及机器人行业的产品升级。此外,随着新能源汽车和光伏产业等领域 的爆发,下游市场对以SiC 为衬底的功率半导体器件的需求也将大幅增加。

  目前,ROHM 已经实现了 150mm的碳化硅衬底制作,并提供由 SiC 晶棒生产到晶圆制造,再到封装测试等完整的垂类服务。公司的 SiC 材料可 以提供 SiC-SBD、SiC-MOS,还可用于功率器件的生产。2020 年 1 月,ROHM 的子公司 SiCrystal 与意法半导 体签订了长期协议,公司将持续向意法供应超过 1.2 亿美元的 150mm 碳化硅晶圆,以满足功率半导体的需求 增长。2021 年 8 月,吉利汽车与罗姆进一步缔结战略合作,前者将利用罗姆先进的碳化硅功率方案开发高效 的电控和充电系统。这意味着 ROHM 进一步扩大了其 SiC 业务,并致力于电动汽车及相关领域的半导体应用 研发。长期来看,创新和研发仍是公司实现业绩增长的关键因素。面对竞争激烈的 SiC 市场,ROHM 必须积 极推动 200mm 碳化硅晶圆生产,同时进一步开拓功率器件领域的应用。

  II-VI 成立于 1971 年,是一家全球领先的开发、制造和销售工程材料和光电元件设备以及材料的垂直整合 类公司,为通信、工业、航天、半导体设备、消费电子和智能汽车的多元化应用提供创新产品。II-VI 拥有两 个业务部门:1)化合物半导体:该部门主要提供 SiC 衬底、外延和器件以及砷化物外延晶片,同时包括用于 高功率二氧化碳激光器的光电组件和材料,应用领域包括航空、国防、医疗、半导体等;2)光子解决方案:该部门主要提供用于光通信网络、消费电子、生命科学等领域的晶体材料和光学器件,还为激光终端用户、系 统集成商和政府提供微芯片激光器和光电模块。目前,II-VI 在半导体领域的成果主要包括 SiC 的衬底和外延 技术开发,2020 年上半年公司在 SiC 衬底市场的占有率为 13%。

  公司销售重心位于美国,光电业务成为公司核心。2020 年 II-VI 在美国的销售额为 14.32 亿美元,中国大 陆和中国香港分别为 2.92 和 2.99 亿美元,三者占比分别为 60%、12%和 13%,合计约为 85%。实际上, Finisar 的收购大举增加了公司在美国的销售额,但对中国整体的情况影响轻微。目前,II-VI 的用户包括苹果、 ASML、Nikon、腾讯、阿里巴巴等领先企业,多数分布在美国和中国地区,Finisar 还为公司带来了来自苹果 的多数订单。同时,由于公司在 5G、消费电子、医疗和半导体领域的布局和中国相应市场的高度火热,公司 在中国的营收预计会呈现良好的增长趋势,而在美业务则是公司的基石。此外,公司在 2021 年 4 月宣布扩大 在中国的 SiC 晶圆制造规模,以服务全球最大的电动汽车和清洁能源市场。II-VI 已在中国福州建立了一条用 于生产 SiC 衬底的后端加工线,业务包括边缘研磨、CMP、清洁和检查等,该厂预计将在五年内将 SiC 衬底 的制造能力提高 5-10 倍,包括 200mm 的 SiC 衬底制造。

  研发水平逐步增加,SiC 技术处于领先。2021 年公司的研发支出为 3.30 亿美元,同比下降 2.64%,占营收 比例为 10.63%。同样的,收到收购业务的影响,公司的研发支出在 2020 财年大幅上升,这些费用用于投资新 资产和业务流程,包括 5G、3D 传感、磷化铟、激光雷达和其他新兴市场。目前,II-VI 所拥有的碳化硅衬底 具备高质量和低位错密度,且晶圆尺寸已达 200mm 并处于世界领先地位,该衬底目前已用于电动汽车和 5G 等电力电子以及射频电子领域。同时,II-VI 可在 150mm 的晶圆上生产一流均匀性的 SiC 外延,包括 250 微米 及以上的厚层生长和低浓度掺杂层,是世界最先进的 SiC 外延技术之一。公司所独创的 3DSiC 技术可以充分 利用 SiC 材料,以最小损耗实现极高的功率处理,可将电流密度提高 30%并缩小相应的芯片尺寸,这对 SiC 为原料的芯片制程压缩具有重要意义。

  意法半导体(ST Microelectronics)成立于 1987 年,是一家位于瑞士负责设计、开发、制造和销售半导体产 品的跨国企业。该公司由法国的“Thomson Semiconducteurs”和意大利的“SGS Microelettronica”两家公司合 并而成,是欧洲目前收入最高的半导体芯片制造商。ST 目前拥有三项主营业务:

  1)汽车和分立器件业务 (ADG):该部门负责专用于汽车的 IC,以及面向汽车、工业、通信等终端市场的分立器件和功率晶体管的制造 和销售;2)模拟、MEMS 和传感器业务(AMS):该部门主要提供用于模拟、智能电源、低功率射频、MEMS 传感器和执行器以及光学传感领域的解决方案和产品;3)微控制器和数字 IC 业务(MDG):该部门致力于设计、 生产和销售微控制器(通用和安全)、存储器(RF 和 EEPROM)和 RF 通信等相关产品。目前,公司的主要客户包括苹果、三星、华为、特斯拉等智能手机和电动汽车龙头企业,且 2020年苹果贡献了公司 23.9%的收入, 是公司的第一大客户。2019 年 12 月,ST 完成了对 SiC 晶圆制造商 Norstel 的收购,标志着公司正式覆盖 SiC 衬底和外延业务。截止 2020 年上半。

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