2021年碳化硅發(fā)展歷史分析 碳化硅市場前景廣闊

2021年碳化硅發(fā)展歷史分析碳化硅市場前景廣闊1.

碳化硅基本情況半導體是電子產(chǎn)品的核心、現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”。半導體是指常溫下導電能力介于導體與絕緣體之間的電子材料，其電阻率約在1mΩ〃cm~1GΩ〃cm。半導體物理特性使得其主要用于制造集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器四類產(chǎn)品。半導體制造產(chǎn)業(yè)鏈由設(shè)計、制造和封裝測試環(huán)節(jié)構(gòu)成，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于移動通信、電力電子、國防軍工等領(lǐng)域。碳化硅是第三代半導體材料，光電特性優(yōu)越，滿足新興應(yīng)用需求。第一代半導體主要有硅和鍺，由于硅的自然儲量大、制備工藝簡單，硅成為制造半導體產(chǎn)品的主要原材料，廣泛應(yīng)用于集成電路等低壓、低頻、低功率場景。但是，第一代半導體材料難以滿足高功率及高頻器件需求。砷化鎵是第二代半導體材料的代表，較高的電子遷移率使其應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導體發(fā)光二極管和通信器件的核心材料。但砷化鎵材料的禁帶寬度較小、擊穿電場低且具有毒性，無法在高溫、高頻、高功率器件領(lǐng)域推廣。第三代半導體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導體材料相比最大的優(yōu)勢是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場強度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、5G基站、衛(wèi)星等新興領(lǐng)域的理想材料。圖：三代半導體材料的指標參數(shù)對比SiC具有寬的禁帶寬度、高擊穿電場、高熱傳導率和高電子飽和速率的物理性能，使其有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等優(yōu)點，可降低下游產(chǎn)品能耗、減少終端體積。碳化硅的禁帶寬度大約為3.2eV，硅的寬帶寬度為1.12eV，大約為碳化硅禁帶寬度的1/3，這也就說明碳化硅的耐高壓性能顯著好于硅材料。此外，碳化硅的熱導率大幅高于其他材料，從而使得碳化硅器件可在較高的溫度下運行，其工作溫度高達600℃，而硅器件的極限溫度僅為300℃；另一方面，高熱導率有助于器件快速降溫，從而下游企業(yè)可簡化器件終端的冷卻系統(tǒng)，使得器件輕量化。根據(jù)CREE的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET尺寸僅為硅基MOSFET的1/10。同時，碳化硅具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且不會隨著頻率的提高而降低，碳化硅器件的工作頻率可以達到硅基器件的10倍，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET總能量損耗僅為硅基IGBT的30%。碳化硅材料將在高溫、高頻、高頻領(lǐng)域逐步替代硅，在5G通信、航空航天、新能源汽車、智能電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2.

碳化硅產(chǎn)品及應(yīng)用領(lǐng)域

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個環(huán)節(jié)：碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應(yīng)用市場，通常采用物理氣相傳輸法（PVT法）制備碳化硅單晶，再在襯底上使用化學氣相沉積法（CVD法）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的產(chǎn)業(yè)鏈中，主要價值量集中于上游碳化硅襯底（占比50%左右）。

圖·：碳化硅襯底的產(chǎn)業(yè)鏈碳化硅襯底根據(jù)電阻率劃分：半絕緣型碳化硅襯底：指電阻率高于105Ω·cm的碳化硅襯底，其主要用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件，中國大力發(fā)展5G技術(shù)推動碳化硅襯底需求釋放。導電型碳化硅襯底：指電阻率在15~30mΩ·cm的碳化硅襯底。由導電型碳化硅襯底生長出的碳化硅外延片可進一步制成功率器件，功率器件是電力電子變換裝臵的核心器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。汽車電動化趨勢利好SiC發(fā)展碳化硅應(yīng)用場景根據(jù)產(chǎn)品類型劃分：射頻器件：射頻器件是在無線通信領(lǐng)域負責信號轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導率高、高頻率、高功率等優(yōu)點，相較于傳統(tǒng)的硅基LDMOS器件，其可以更好地適應(yīng)5G通信基站、雷達應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率要求。

功率器件：又稱電力電子器件，主要應(yīng)用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1000V以上的中高壓領(lǐng)域有深遠影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。新能源汽車：電動汽車系統(tǒng)涉及功率半導體應(yīng)用的組件有電機驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（On-boardcharger，OBC）、車載

DC/DC及非車載充電樁。其中，電動車逆變器市場碳化硅功率器件應(yīng)用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長。目前，國內(nèi)外車企均積極布局碳化硅器件應(yīng)用，以優(yōu)化電動汽車性能，特斯拉、比亞迪、豐田等車企均開始采用碳化硅器件。隨著碳化硅功率器件的生產(chǎn)成本降低，碳化硅在充電樁領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐步深入。

光伏發(fā)電：目前，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根據(jù)中商情報網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用碳化硅功率器件可使轉(zhuǎn)換效率從96%提高至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升

50

倍，從而帶來成本低、效能高的好處。

智能電網(wǎng)：國家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場景包括：高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝臵、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝臵。相比其他電力電子裝臵，電力系統(tǒng)要求更高的電壓、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導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。

軌道交通：軌道交通對其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機等裝臵的性能提出更好的要求，采用碳化硅功率器件可幫其實現(xiàn)提升。碳化硅功率器件可大幅提高這些電力電子裝臵的功率密度和工作效率，有利于減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。射頻通信：碳化硅基氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。3.

碳化硅技術(shù)發(fā)展歷程

半導體襯底材料變化共經(jīng)歷三個階段，三代半導體并非指某一代更優(yōu)，而是分別適用于不同領(lǐng)域。第一階段是20世紀50年代，第一代半導體材料制成的二極管取代電子管，用于電腦CPU、內(nèi)存等器件，根據(jù)山東天岳招股書的數(shù)據(jù)，當今90%的半導體產(chǎn)品由硅基材料制得。第二階段是20世紀90年代，砷化鎵材料克服硅材料的物理限制，應(yīng)用于光電子領(lǐng)域，同時4G通信設(shè)備中的高速器件也采用第二代半導體材料器件，如發(fā)光器件、衛(wèi)星通訊、GPS導航等。第三階段是近年來，以碳化硅為代表的第三代半導體材料在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。碳化硅擁有較寬的禁帶寬度、較高的飽和電子漂移速率、較強的抗輻射導熱能力等優(yōu)點，滿足新興科技對器件高溫、高壓、高頻率的要求，故是5G時代、新基建、新能源工程的主要材料。

圖：半導體材料發(fā)展歷程

1824年瑞典化學家Berzelius在人工生長金剛石時發(fā)現(xiàn)碳化硅SiC。二十世紀初，人們開始應(yīng)用碳化硅材料。1907年，美國Round制造出第一個碳化硅發(fā)光二極管，但由于單晶生長難度大，碳化硅材料沒有被廣泛應(yīng)用。1955年，飛利浦提出Lely法，改善碳化硅材料制備過程，但仍存在晶核、尺寸、結(jié)構(gòu)難以控制和產(chǎn)率低的問題。七八十年代，碳化硅材料制備實現(xiàn)重大突破，1978年前蘇聯(lián)科學家Tairov和Tsvetkov提出改進Lely法，即物理氣傳輸法PVT法，可獲得較大尺寸的碳化硅晶體。1991年Cree公司采用升華法實現(xiàn)碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)過幾十年研發(fā)，碳化硅器件逐步商業(yè)化。2001年開始商用碳化硅SBD器件；后于2010年出現(xiàn)碳化硅MOSFET器件；碳化硅IGBT器件尚在研發(fā)。為提高生產(chǎn)效率，碳化硅