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1、2021年碳化硅發(fā)展歷史分析 碳化硅市場(chǎng)前景廣闊1.碳化硅基本情況半導(dǎo)體是電子產(chǎn)品的核心、現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”。半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的電子材料，其電阻率約在1mcm1Gcm。半導(dǎo)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(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)鏈由設(shè)計(jì)、制造和封裝測(cè)試環(huán)節(jié)構(gòu)成，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、電力電子、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料，光電特性優(yōu)越，滿足新興應(yīng)用需求。第一代半導(dǎo)體主要有硅和鍺，由于硅的自然儲(chǔ)量大、制備工藝簡(jiǎn)單，硅成為制造半導(dǎo)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(chǎng)景。但是，第一代半導(dǎo)體材料難以滿

2、足高功率及高頻器件需求。砷化鎵是第二代半導(dǎo)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(dǎo)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(chǎng)低且具有毒性，無(wú)法在高溫、高頻、高功率器件領(lǐng)域推廣。第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢(shì)是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動(dòng)汽車(chē)、5G基站、衛(wèi)星等新興領(lǐng)域的理想材料。圖：三代半導(dǎo)體材料的指標(biāo)參數(shù)對(duì)比SiC具有寬的禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高熱傳導(dǎo)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(diǎn)，可降低下游

3、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(shuō)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(dǎo)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(yùn)行，其工作溫度高達(dá)600，而硅器件的極限溫度僅為300；另一方面，高熱導(dǎo)率有助于器件快速降溫，從而下游企業(yè)可簡(jiǎn)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(shí)，碳化硅具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且不會(huì)隨著頻率的提高而降低，碳化硅器件的工作頻率可以達(dá)到硅基器件的10倍，相同規(guī)格的碳化硅基MO

4、SFET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(chē)、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(gè)環(huán)節(jié)：碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長(zhǎng)、器件制造以及下游應(yīng)用市場(chǎng)，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(xué)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(jià)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105cm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

5、器件是無(wú)線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件，中國(guó)大力發(fā)展5G技術(shù)推動(dòng)碳化硅襯底需求釋放。導(dǎo)電型碳化硅襯底：指電阻率在1530mcm的碳化硅襯底。由導(dǎo)電型碳化硅襯底生長(zhǎng)出的碳化硅外延片可進(jìn)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(chē)、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。汽車(chē)電動(dòng)化趨勢(shì)利好SiC發(fā)展碳化硅應(yīng)用場(chǎng)景根據(jù)產(chǎn)品類型劃分：射頻器件：射頻器件是在無(wú)線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開(kāi)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(dǎo)率高、高頻率、高功率等優(yōu)點(diǎn)，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(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率要求

6、。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(yuǎn)影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)汽車(chē)/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。新能源汽車(chē)：電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)載充電系統(tǒng)（On-board charger，OBC）、車(chē)載DC/DC 及非車(chē)載充電樁。其中，電動(dòng)車(chē)逆變器市場(chǎng)碳化硅功率器件應(yīng)用最多，碳化硅模塊的使用使得整車(chē)的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)外車(chē)企均積極布局碳化硅器件應(yīng)用，以優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)性能，特斯拉

7、、比亞迪、豐田等車(chē)企均開(kāi)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(bào)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(lái)成本低、效能高的好處。智能電網(wǎng)：國(guó)家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對(duì)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(chǎng)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

8、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(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。軌道交通：軌道交通對(duì)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(jī)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(shí)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(shí)具備碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)

9、，能夠滿足5G通訊對(duì)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(dǎo)體襯底材料變化共經(jīng)歷三個(gè)階段，三代半導(dǎo)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(jì)50年代，第一代半導(dǎo)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(shū)的數(shù)據(jù)，當(dāng)今90%的半導(dǎo)體產(chǎn)品由硅基材料制得。第二階段是20世紀(jì)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(shí)4G通信設(shè)備中的高速器件也采用第二代半導(dǎo)體材料器件，如發(fā)光器件、衛(wèi)星通訊、GPS導(dǎo)航等。第三階段是近年來(lái)，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料在

10、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(qiáng)的抗輻射導(dǎo)熱能力等優(yōu)點(diǎn)，滿足新興科技對(duì)器件高溫、高壓、高頻率的要求，故是5G時(shí)代、新基建、新能源工程的主要材料。圖：半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程1824年瑞典化學(xué)家Berzelius在人工生長(zhǎng)金剛石時(shí)發(fā)現(xiàn)碳化硅SiC。二十世紀(jì)初，人們開(kāi)始應(yīng)用碳化硅材料。1907年，美國(guó)Round制造出第一個(gè)碳化硅發(fā)光二極管，但由于單晶生長(zhǎng)難度大，碳化硅材料沒(méi)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(guò)程，但仍存在晶核、尺寸、結(jié)構(gòu)難以控制和產(chǎn)率低的問(wèn)題。七八十年代，碳化硅材料制備實(shí)現(xiàn)重大突破，1978年前蘇聯(lián)科學(xué)家Tai

11、rov和Tsvetkov提出改進(jìn)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(shí)現(xiàn)碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)過(guò)幾十年研發(fā)，碳化硅器件逐步商業(yè)化。2001年開(kāi)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，碳化硅晶片尺寸向大尺寸方向發(fā)展。襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，邊緣浪費(fèi)越小，故單位芯片成本越低。在半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)，主流襯底產(chǎn)品規(guī)格為4英寸；在導(dǎo)電型碳化硅襯底市場(chǎng)，主流產(chǎn)品規(guī)格為6英寸。隨著越來(lái)越多企業(yè)6英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線的建立，下游廠商的采購(gòu)需求逐漸由4英寸轉(zhuǎn)向6英寸。國(guó)外龍頭企業(yè)率先完成8英寸襯底的研發(fā)，國(guó)內(nèi)企業(yè)也大力布局大尺寸襯底。