根据《科创板日报》10月24日消息，芯片大厂三安光电宣布，旗下子公司湖南三安8英寸碳化硅衬底已完成开发，产品进入小批量生产及送样阶段。
消息一公布很快得到市场的反馈，10月25日三安光电股票马上跳涨1.94%。之所以大涨在于涉及一个关键因素——碳化硅！
熟悉半导体产业的，知道碳化硅被称为“第三代半导体材料”，也是最近几年半导体产业异常火热的一个小风口。今天就和大家一起详细探讨一下碳化硅。
一、为什么碳化硅是第三代半导体材料
碳化硅（SiC）是由硅（Si）和碳（C）组成的化合物半导体材料。其结合力非常强，在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC存在各种多型体（多晶型体），它们的物理特性值各有不同。4H-SiC最适用于功率元器件。
碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟，应用最广泛的宽禁带半导体材料之一，目前已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。
二、第一代到第三代半导体材料
根据半导体材料的能隙宽度，可以将其分为三代：
第一代半导体：以硅（Si）为代表，能隙宽度约为1.1电子伏特（eV），适用于低压低频的场合，如微处理器、存储器等。
第二代半导体：以砷化镓（GaAs）为代表，能隙宽度约为1.4 eV，适用于中压中频的场合，如激光器、太阳能电池等。
第三代半导体：以碳化硅（SiC）为代表，能隙宽度大于2eV，适用于高压高频的场合，如功率器件、射频器件等。
三、碳化硅的主要优势
第三代半导体碳化硅相比于前两代，主要有以下优势：
1、高能隙：能隙宽度为3.26eV，是硅的3倍，可以承受高达10kV的电压，适合高压场合；从而提高了半导体的耐压性和稳定性。
2、高热导率：热导率为4.9 W/cm·K，是硅的3倍，可以有效地将热量从芯片内部传导到外部，适合高温场合；有效降低了散热系统的成本和复杂度。
3、高电子饱和漂移速率：电子饱和漂移速率为2.7×10^7cm/s，是硅的2倍，可以实现高频开关和低导通损耗，适合高频场合；从而提高了半导体的效率和带宽。
随着半导体制程要求越来越高，稳定性、降低散热成本、提高效率，这正是目前第一、二代半导体硅和砷化镓亟待优化解决的问题。因此，碳化硅作为第三代半导体实至名归。
四、碳化硅主要应用领域
碳化硅由于其优异的物理特性，被广泛应用于高温、高功率、高压、高频等领域，如：
电动汽车：碳化硅可以用于电动汽车的电力转换器、充电器、逆变器等部件，提高了能量转换效率和续航里程，降低了体积和重量。
通信：碳化硅可以用于通信基站的射频功率放大器、滤波器等部件，提高了信号质量和覆盖范围，降低了干扰和功耗。
能源：碳化硅可以用于风力发电、太阳能发电、智能电网等领域的功率变换器、开关等部件，提高了可再生能源的利用率和稳定性，降低了成本和污染。
工业：碳化硅可以用于工业驱动、焊接、激光切割等领域的功率模块、整流桥等部件，提高了设备的性能和可靠性，降低了维护和故障率。
五：中国碳化硅产业应用及发展
随着新能源汽车、光伏、储能、充电桩等下游市场的快速爆发，中国的碳化硅（SiC）功率元件市场规模正在迅速扩大。
从产业链来看，碳化硅（SiC）产业链条较长，涉及衬底、外延、器件设计、器件制造和封测等一系列环节，其中，碳化硅衬底和外延片的价值量占比超过一半，衬底成本最大，占比达47%；其次是外延成本占比为23%，成为决定碳化硅器件品质的关键。
据TrendForce集邦咨询统计，按2022年应用结构来看，光伏储能为中国碳化硅（SiC）市场最大应用场景，占比约38.9%，接续为汽车、工业以及充电桩等。当然，汽车市场作为未来发展主轴，即将超越光伏储能应用，其份额至2026年有望攀升至60.1%。
2023年，中国化合物半导体产业实现历史性突破。此前中国碳化硅材料仅占全球约5%的产能，然而业界乐观预计，2024年中国碳化硅晶圆在全球的占比有望达到50%。
天岳先进、天科合达、三安光电等公司均斥资提高碳化硅晶圆/衬底产能，目前这些中国企业每月的总产能约为6万片。随着各公司产能释放，预计2024年月产能将达到12万片，年产能150万。
根据行业消息和市调机构的统计，此前天岳先进、天科合达合计占据全球5%的市场份额，而全球四大碳化硅领先厂商的份额要大得多，其中Wolfspeed占比60%，Coherent占比15%，罗姆电子占比13%，SK Siltron占比5%。
业界称，此前不少海外研究机构对中国企业的制造能力表示怀疑，然而近期博世、意法半导体、英飞凌等都与中国企业签订碳化硅合约，足以证明中国在供应链中的地位快速提升。
今年5月，天岳先进、天科合达两大厂商均在其官微宣布，与国际半导体大厂英飞凌签订了供货协议。根据协议，天科合达和天岳先进将为英飞凌供应用于生产SiC半导体的6英寸（150mm）碳化硅晶圆和晶锭，两家企业的供应量均将占到英飞凌未来长期预测需求的两位数份额。未来也将提供200mm直径碳化硅材料，助力英飞凌向200mm直径晶圆的过渡。
今年6月，意法半导体在官网宣布，将同三安光电在中国重庆建立一个新的8英寸碳化硅器件合资制造厂。新的SiC制造厂计划于2025年第四季度开始生产，预计将于2028年全面落成，届时将更好地支持中国的汽车电气化、工业电力和能源等应用日益增长的需求。同时，三安光电将利用自有SiC衬底工艺，单独建造和运营一个新的8英寸SiC衬底制造厂，以满足该合资厂的衬底需求。
分析人士表示，目前全球市场主要使用150mm碳化硅晶圆，预计到2024年随着制造商的扩产，产品价格将明显下滑，这会给竞争力较弱的制造商带来挑战。
根据TrendForce咨询此前研究，从产业结构来看，中国的SiC功率半导体产值以功率元件业(包含Fabless、IDM以及Foundry)占比最高，达42.4%，接续为衬底片制造业及外延片制造业。
对于碳化硅（SiC）衬底及外延材料环节，中国厂商已逐渐赢得海外领先业者的认可，尤其体现在外延片环节。须留意的是，在碳化硅（SiC）晶体厚度与一致性指标上，本土厂商仍需付出诸多努力，以期实现在汽车电驱系统等更多高端场景中的应用。当前中国正在展开大规模的SiC材料扩产行动，预估2023年中国N-Type SiC衬底产能(折合6英寸)可达1020Kpcs，其中以天科合达份额续居首位。
如今，无论是上游材料、晶圆代工厂、器件、封装，国内在碳化硅（SiC）的各个细分供应链环节都已有玩家在积极参与。但目前海外厂商在碳化硅领域仍占据先发优势，国内企业仍在起步阶段，技术不断追赶同时产能尚在爬坡。虽然市场产销两旺，但中国碳化硅功率器件仍处于早期阶段，如何降低成本、稳定质量、提升良率，是国产碳化硅功率半导体大规模应用的关键。
因此，2023年中国衬底材料行业竞争格局将会是多方面共同发展，竞争将更加激烈且更加复杂。研发能力强、生产设备尖端，优质企业实力逐渐提升等将是未来竞争的关键因素。
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