揭秘碳化硅第三代半导体材料核心应用七大领域百亿市场空间 智东西内参

时间: 2024-07-07 17:27:03 |   作者: 家居及玩具

　　碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，突破硅基半导体材料物理限制，是第三代半导体核心材料。 碳化硅材料主要可以制成碳化硅基氮化镓射频器件和碳化硅功率器件。受益于 5G 通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展，碳化硅需求增速可观。

　　本期的智能内参，我们推荐安信证券的报告《市场空间巨大，SiC 国产化趋势加速》，从的未来市场发展的潜力、行业玩家和发展的新趋势分析碳化硅的国产化趋势。

　　第一代半导体主要有硅和锗，由于硅的自然储量大、制备工艺简单，硅成为制造半导体产品的主要原材料，大范围的应用于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是，第一代半导体材料难以满足高功率及高频器件需求。

　　砷化镓是第二代半导体材料的代表，较高的电子迁移率使其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核心材料。但砷化镓材料的禁带宽度较小、击穿电场低且具有毒性，无法在高温、高频、高功率器件领域推广。

　　第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、5G基站、卫星等新兴领域的理想材料。

　　SiC具有宽的禁带宽度、高击穿电场、高热传导率和高电子饱和速率的物理性能，使其有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等优点，可降低下游产品能耗、减少终端体积。碳化硅的禁带宽度大约为3.2eV，硅的宽带宽度为1.12eV，大约为碳化硅禁带宽度的1/3，这也就说明碳化硅的耐高压性能显著好于硅材料。

　　此外，碳化硅的热导率大幅高于其他材料，从而使得碳化硅器件可在较高的温度下运行，其工作时候的温度高达600℃，而硅器件的极限温度仅为300℃；另一方面，高热导率有助于器件快速降温，从而下游企业可简化器件终端的冷却系统，使得器件轻量化。根据CREE的数据，相同规格的碳化硅基MOSFET尺寸仅为硅基MOSFET的1/10。

　　同时，碳化硅具有较高的能量转换效率，且不会随频率的提高而降低，碳化硅器件的工作频率能达到硅基器件的10倍，相同规格的碳化硅基MOSFET总能量损耗仅为硅基IGBT的30%。碳化硅材料将在高温、高频、高频领域逐步替代硅，在5G通信、航空航天、新能源汽车、智能电网领域发挥重要作用。

　　碳化硅产业链可分为三个环节：碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场，一般会用物理气相传输法（PVT法）制备碳化硅单晶，再在衬底上使用化学气相沉积法（CVD法）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的产业链中，主要价值量集中于上游碳化硅衬底（占比50%左右）。

　　碳化硅衬底根据电阻率划分：半绝缘型碳化硅衬底：指电阻率高于105Ω·cm的碳化硅衬底，其大多数都用在制造氮化镓微波射频器件。微波射频器件是无线通讯领域的基础性零部件，中国全力发展5G技术推动碳化硅衬底需求释放。

　　导电型碳化硅衬底：指电阻率在15~30mΩ·cm的碳化硅衬底。由导电型碳化硅衬底生长出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，功率器件是电力电子变换装置核心器件，大范围的应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。汽车电动化趋势利好SiC发展。

　　1、射频器件：射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件，如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件具有热导率高、高频率、高功率等优点，相较于传统的硅基LDMOS器件，其可以更好地适应5G通信基站、雷达应用等领域低能耗、高效率要求。

　　2、功率器件：又称电力电子器件，主要使用在于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件，有功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1000V以上的中高压领域有深远影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

　　3、新能源汽车：电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件有电机驱动系统、车载充电系统（On-board charger，OBC）、车载DC/DC及非车载充电桩。其中，电动车逆变器市场碳化硅功率器件应用最多，碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。目前，国内外车企均积极布局碳化硅器件应用，以优化电动汽车性能，特斯拉、比亚迪、丰田等车企均开始采用碳化硅器件。随着碳化硅功率器件的生产所带来的成本降低，碳化硅在充电桩领域的应用也将逐步深入。

　　4、光伏发电：目前，光伏逆变器有突出贡献的公司已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根据中商情报网数据，使用碳化硅功率器件可使转换效率从96%提高至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而带来成本低、效能高的好处。

　　5、智能电网：国家全力发展新基建，特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能电网中的主要应用场景包括：高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。相比其他电力电子装置，电力系统要求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。

　　6、轨道交通：轨道交通对其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等装置

　　7、射频通信：碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，能够很好的满足5G通讯对高频性能和高功率解决能力的要求，逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

　　自1955年菲力浦实验室的Lely首次在实验室成功制备碳化硅单晶以来，在随后的60余年中，美国、欧洲、日本等发达国家与地区的科研院所与企业不停地改进革新和改良碳化硅单晶的制备技术与设备，在碳化硅单晶晶体及晶片技术与产业化领域形成了较大优势。

　　碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域已实现成熟应用。伴随新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等产业的加快速度进行发展，功率器件的使用需求大幅度的增加。根据IC Insights《2019年光电子、传感器、分立器件市场分析与预测报告》，2018年全球功率器件的销售额增长率为14%，达到163亿美元。未来，随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速发展，全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。预计2018至2023年期间，全球功率器件的销售额复合年增长率达到3.3%，2023年全球功率器件收入将达到192亿美元。

　　根据IHSMarkit数据，2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元，受新能源汽车庞大需求的驱动，以及电力设备等领域的带动，预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

　　新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，全世界内新能源车的普及趋势逐步清晰化。随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。

　　新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器，能够明显降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。

　　美国特斯拉公司的Model 3车型采用以24个碳化硅MOSFET为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率器件的汽车厂商；碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统，能够大大降低开关损耗、提高极限工作时候的温度、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，能减小充电桩体积，提高充电速度。SiC在新能源汽车上的应用将在保证汽车的强度和安全性能的前提下非常大程度上减轻汽车的重量，有效提升电动车10%以上的续航能力，减少80%的电控系统体积。

　　新能源汽车碳化硅功率器件市场规模推算：根据中国汽车工业协会数据，我们国家新能源汽车销量由2015年的33.1万辆增至2019年的120.6万辆，复合增长率达38%，渗透率达到4.7%。 根据工信部发布的《新能源汽车产业高质量发展规划（2021-2035年）》，2025年我国汽车销量有望达到3000万辆，其中新能源汽车占新车总销量20%，新能源汽车销量有望达到600万辆。

　　据天科合达招股书披露，根据现存技术方案，每辆新能源汽车使用的功率器件价值约700美元到1000美元。粗略估计，我国2025年新能源汽车使用的功率器件市场达42~60亿美元。

　　在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的大多数来自之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件常规使用的寿命、降低生产所带来的成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展的新趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。

　　轨道交通车辆呈现多样化发展，从运作时的状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车，其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。

　　其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装臵的应用需求，提升系统的整体效能。根据天科合达招股书，2012年，包含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线列车辆中商业化应用，实现了列车牵引系统节约能源的效果的明显提升、电动机能量损耗的一下子就下降和冷却单元的小型化；2014年，日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电3300V/1500A全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低55%、体积和重量减少65%，电能损耗降低20%至36%。

　　LNA、功率放大器、滤波器等器件，其中，功率放大器是放大射频信号的器件，直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。

　　Yole的预测，得益于5G基站建设和雷达下游市场的大量需求，用于氮化镓外延的半绝缘型碳化硅衬底市场规模取得较快增长，半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为4英寸）将由2020年的16.58万片增长至2025年的43.84万片，期间复合增长率为21.50%。

　　5G通讯技术的发展和推广，5G基站建设将为射频器件带来新的增长动力。5G通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更加高的要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能够很好的满足5G通讯对高频性能和高功率解决能力的要求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

　　Yole Development预测，2025年全球射频器件市场将超过250亿美元，其中射频功率放大器市场规模将从2018年的60亿美元增长到2025年的104亿美元，而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着5G市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。

　　6英寸双极器件、8英寸IGBT和6英寸碳化硅的产业化基地，拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术；华润微具备碳化硅功率器件制备技术。泰科天润是国内领先的碳化硅功率器件生产商，其在北京拥有一座完整的半导体工艺晶圆厂，可在4/6英寸SiC晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺。

　　650V/2A-100A，1200V/2A-50A，1700V/5A -50A，3300V/0.6A-50A等系列的产品已经投入批量生产，产品质量可以比肩国际同行业的领先水平。在SiC外延的研发和量产方面，我国也已紧跟世界一流水平，瀚天天成的产品已打入国际市场；我国SiC IDM主要有泰科天润、世纪金光、基本半导体、中电科15所、中电科13所等。

　　衬备是碳化硅器件核心难点，也是成本高企的根本原因。由于晶体生长速率慢、制备技术难度较大，大尺寸、高品质碳化硅衬底生产所带来的成本较高，碳化硅底较低的供应量和较高的价格一直是制约碳化硅基器件大规模应用的重要的因素，限制了产品在下业的应用和推广。碳化硅价格昂贵，根本原因是其制造难度高。硅材料72小时可长出2米左右的晶体；但是碳化硅144小时生长出的晶体厚度只有2-3厘米，碳化硅长晶速度不到硅材料的百分之一。

　　3厘米厚的晶锭切割35-40片要消耗120小时，远远慢于切割硅晶锭。另外，碳化硅生长环境和温度远高于硅材料，硅的升华温度为1400度左右，而碳化硅的晶片生长需要2000度左右，这对炉管设备的要求更高。并且，SiC的生长周期长，长出来晶锭的厚度较薄，控制良率难度高。

　　而随着尺寸的增大，碳化硅单晶扩径技术的要求慢慢的升高。扩径技术需要考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面的技术控制要素，最终实现晶体迭代扩径生长，从而获得直径达标的高质量籽晶，继而实现后续大尺寸将晶的连续生长。在最新研发技术储备上，行业领先者科锐公司和贰陆公司均已成功研发并投产

　　6英寸为主，8英寸衬底开始研发；半绝缘碳化硅衬底以4英寸为主，目前逐渐向6英寸衬底发展。6英寸衬底面积为4英寸衬底的2.25倍，相同的晶体制备时间内衬底面积的倍数提升带来衬底成本的大幅度降低。与此同时，单片衬底上制备的芯片数量随着衬底尺寸增大而增多，单位芯片的成本也即随之降低，因此碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展。

　　从产业格局看，全球碳化硅产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，占有全球碳化硅产量的70%~80%，碳化硅晶圆市场CREE一家市占率高达六成之多；欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

　　90年代初美国CREE公司已成功推出碳化硅晶片产品，90年代末成功研制出4英寸碳化硅晶片，并于2001年成功研制首个商用碳化硅SBD产品。随着碳化硅衬底和器件制备技术的成熟和逐渐完备，以及下游应用的需求量开始上涨，国际碳化硅有突出贡献的公司在保持技术和市场占有率的情况下，慢慢地增加产业布局，主要措施包括：继续扩大产能，根据CREE公司官网，2019年5月CREE斥资10亿美元扩大碳化硅晶片生产能力；加强与上下游产业链的联合，通过合同、联盟或其他方式提前锁定订单（如2018年CREE相继与Infineon、ST等欧美主要第三代半导体下游企业签订长期供货协议）。总的来看，国际半导体有突出贡献的公司纷纷在碳化硅领域加速布局，一方面将推动碳化硅材料的市场渗透率加速，另一方面也初步奠定了未来几年第三代半导体领域的竞争格局。

　　(SiC)衬底的企业经营情况去看，以2018年导电性碳化硅晶片厂商市场占有率为参考，美国CREE公司占龙头地位，市场占有率达62％，其次是美国II-VI公司，市场占有率约为16％。整体看来，在碳化硅市场中，美国厂商占据主要地位。

　　5G通讯、国防军工等战略领域的核心材料，近年来，国家出台一系列半导体产业鼓励政策，为国内公司可以提供政策及资金支持，以推动以碳化硅为代表的第三代半导体材料发展。

　　行业是技术密集型行业，对研发人员操作经验、资金投入有较高要求。国际巨头半导体公司研发早于国内公司数十年，提前完成了技术积累工作。因此，国内企业存在人才匮乏、技术水平较低的困难，制约了半导体行业的产业化进程发展。而在碳化硅第三代半导体产业中，行业整体处于产业化初期，中国企业与海外企业的差距明显缩小。

　　5G通讯、新能源等新兴起的产业的技术水平、产业化规模的世界领头羊，国内碳化硅器件巨大的应用市场空间驱动上游半导体行业加快速度进行发展，国内碳化硅厂商具有自身优势。在全球半导体材料供应不足的背景下，国际有突出贡献的公司纷纷提出碳化硅产能扩张计划并保持高研发投入。同时，国内本土SiC厂家加速碳化硅领域布局，把握发展机会，追赶国际龙头企业。

　　SiC衬底产品的核心技术参数包括直径、微管密度、多型面积、电阻率范围、总厚度变化、弯曲度、翘曲度、表面粗糙度。

　　2018年的41.00%上升至2020年的50.73%，公司衬底良品率总体保持在70%以上，对公司产品质量的提升起到了明显的带动作用。

　　底市场，山东天岳在中国市场处于领先位置。根据Yole数据，2019-2020年，在半绝缘型碳化硅衬底领域，天岳先进公司按销售额统计的市场占有率均位列全球第三。目前，国内碳化硅半导体公司实现了设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测的全流程自主可控，有能力为下游外延器件厂商稳定提供高品质碳化硅晶片，加速碳化硅下游厂商实现进口替代。

　　2英寸至6英寸碳化硅晶体和晶片的制造技术，打破了国内碳化硅晶片制造的技术空白并逐渐缩小与发达国家的技术差距。未来伴随我们国家新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等行业的加快速度进行发展，我国碳化硅材料产业规模和产业技术将得到进一步提升。

　　认为，碳化硅领域，特别是碳化硅的高端（高压高功率场景）器件领域，基本上仍掌握在西方国家手里，SiC产业呈现美、日、欧三足鼎立的竞争格局，前五大厂商份额约90%。但是，碳化硅和第三代半导体，在整个行业范围内仍然是在探索过程中发展，远未达到能够大规模替代第二代半导体的成熟产业地步，国产替代的潜力巨大。