碳化硅设备行业市场分析.docx

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1、碳化硅设备行业市场分析1碳化硅高性能+低损耗，产业化受制于衬底产能1.1.半导体材料更迭四代，宽禁带材料突破瓶颈在高性能和低能耗半导体器件驱动下，半导体材料经历四次更迭。半导体材料是制造半导体器件和集成电路的电子材料，是电子信息技术发展的基础。伴随下游应用日趋复杂化和精细化，高性能及低损耗的半导体器件需求成为半导体研究的重要方向，驱动半导体材料经历四次更迭：1)第一代元素半导体材料：硅(Si)、铭(Ge)O20世纪50年代兴起，取代了笨重的电子管，奠定了以集成电路为核心的微电子工业的基础，广泛用于信息处理和自动控制等领域。2)第二代化合物半导体材料：碑化钱(GaAs)s磷化钢(InP)020世

2、纪90年代兴起，突破硅在高频高压及光电子领域的局限，开拓了移动通信和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网产业，多用于发光电子器件以及通信基础设备。3)第三代宽禁带半导体材料：碳化硅(SiC)、氮化像(GaN)等。近10年逐渐兴起，具备大带隙、大载流子漂移速率、大热导率和大击穿电场四大特性,全面突破材料在高频、高压、高温等复杂条件下的应用极限，适配5G通信、新能源汽车、智能物联网等新兴产业，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。4)第四代超禁带半导体材料：氧化钱(Ga2O3)氮化铝(A1N)、金刚石以及锦化钱(GaSb)、睇化锢(InSb)等。近510年被提出，在第三代半

3、导体基础上实现进一步提效降本，以人工智能与量子计算为驱动力，目前处于科研与产业化起步阶段。高功率+高频率+高温+高电压，第三代半导体（SiC和GaN）物理性能优异。第三代半导体作为宽禁带材料，具有四大特性：大带隙、大载流子漂移速率、大热导率和大击穿电场，做成的器件对应有四高性能：高功率、高频率、高温和高电压，制造的装备系统对应有四小优点：小能耗、小体积、小体重和小成本（暂未实现）。在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等领域有广阔的应用前景。SiC和GaN应用各有侧重，SiC为宽禁带核心材料。SiC和GaN是应用最广、发展最快的第三代半导体材料，光电子领域

4、主要是GaN的应用，涉及1ED、1D及光探测器，热门赛道是MiCrO1ED和深紫外1ED。1）电力电子领域：SiC适合中高压，GaN适合中低压，二者在中压领域竞争（650-1200V,汽车和光伏），热门赛道是SiCSBD.MOSFET和GaNHEMT等。2）微波射频方面：SiCSGaN-HEMT已占据5G基站功率放大器半壁江山。现阶段,SiC质量远高于GaN,占据了近90%的第三代半导体电力电子器件市场。图1:第三代半导体具备广阔的应用前景IkIOk100kIM1(MHzSiC不同晶体结构性能各异，4H-SiC综合性能最佳。SiC由于C原子和Si原子结合方式多样，有200多种同质异型晶体结构，

5、其中6H-SiC结构稳定，发光性能好，适合光电子器件；3C-SiC饱和电子漂移速度高，适合高频大功率器件；4H-SiC电子迁移率高、导通电阻低、电流密度高，适合电力电子器件。4H-SiC是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料,是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的理想材料。SiC的热、物理、化学性质很稳定：热导率84W(mK)超过铜，约为硅的3倍；禁带宽度约为Si的3倍，击穿电场强度高于Si一个数量级，饱和电子漂移速度是Si的2.5倍，2000。C时导电性与石墨相当；耐腐蚀性非常强，表面SiO2薄层防止进一步氧化，室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。1.2.SiC功

6、率器件性能优越，有望实现对硅基器件的替代继承SiC材料优点，SiC器件兼具高性能和低损耗。SiC器件基于SiC材料，在效能提升和损耗控制上相比硅基器件均有优势，具体体现在：1）更高的耐压性和耐高温性。SiC材料击穿电场强度是Si的10余倍，能承受更大的工作区间和功率范围。SiC热导率约为Si的3倍，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热性能更好，散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。2）更高的工作频率。SiC材料饱和电子漂移速率为Si的2.5倍，导通电阻更低,导通损耗低；SiC器件（SBD和MOSFET）能够克服IGBT器件在关断过程的电流拖尾现象，降低开关损耗和系统损耗，大幅

7、提高实际应用的开关频率。3）更低的能耗和更小的尺寸。Sie材料击穿电场强，可以更高的杂质浓度和更薄的漂移层，制作导通电阻非常低的耐高压大功率器件。根据Rohm测算，理论上相同规格SiCMOSFET导通电阻可降为硅基MOSFET的1/200,尺寸降低为1/10；使用SiC-MOSFET的逆变器的系统能耗，小于使用同规格Si-IGBT逆变器能耗的14o困4:第三代半导体击穿电压更高、电阻率更低SiC材料适用于制造功率器件和射频器件，新能源汽车+光伏驱动功率器件快速发展。SiC衬底可分为导电型衬底和半绝缘型衬底，从电化学性质差异来看，导电型衬底电阻率区间为1530Qcm,半绝缘型衬底电阻率高于105

8、Qcm.导电型衬底生长SiC外延层后可用于制造各类功率器件，半绝缘型衬底生长GaN衬底后可进一步用于制造各类微波射频器件。近几年，由于新能源汽车、光伏、智能电网等行业兴起，拉动SiC功率器件市场快速增长。SiC功率器件主要包括二极管和晶体管，有望实现对硅基器件的替代。功率器件主要用于电力电子设备电能管理，由于Si硅材料物理性质限制，依靠Si器件完善来提高装置和系统性能的潜力有限，而SiC功率器件由于出色的高压、高频、高温和低损耗性能，非常具有应用前景。SiC功率器件按类型主要可以划分为功率二极管和功率晶体管,功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(J

9、BS)；功率晶体管主要包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、结型场效应管(JFET)、双极性晶体管(BJT).绝缘栅双极晶体管(IGBT)和晶闸管(Thyristor)o二极管、MoSFET和IGBT是应用最广泛且性能指标先进的功率半导体，SiC-SBD于2001年开始商用；SiC-MOSFET于2010年开始商用，已经是SiC功率器件最大市场；SICIGBT由于研发起步晚，目前尚未实现产业化。SiC-SBD替代目标为高压(600V)的硅基快速恢复二极管(SiFRD).SiC-SBD与Si-SBD结构基本相同,本质是金属和半导体材料接触时，在界面半导体处的能带弯曲形成肖特基势垒，因此S

10、iC-SBD继承了SiSBD的优点：TRR高速性、低恢复损耗、反向电流小、可实现小型化和高频工作等。由于SiC材料耐压、耐高温，SiC-SBD基本不存在温度依赖性，还将SBD应用范围从250V提升到1200V,部分产品电压达到1700/3300V。SiC-SBD仅电子移动产生电流，Si-FRD利用PN结二极管通过电子和空穴(孔)产生电流，关断速度慢、TRR特性较差且损耗较大。现阶段，SiC-SBD在部分高压硬开关拓扑的应用中(通信/服务器/工业/汽车ACDC电源换流二极管，变频器/逆变器续流二极管等)对SiFRD形成替代，Sie-PiN和SiC-JBS相比硅基器件耐压性、耐高温性和高频性等更好

11、。英飞凌、罗姆、科瑞和意法半导体产品种类占比达53%,国内已实现600V-1700VSiC二极管产品批量销售，代表企业为中电科55所、泰科天润、世纪金光、国联万众等。SiCMOSFET替代目标为高压(650V)的Si-MOSFET和IGBToMOSFET是通过给金属层(M-金属铝)栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2)源极施加电压，产生电场来控制半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管(FET)oMOSFET优点在于开关速度快(几十至几百纳秒)、开关损耗很小、稳定性高，缺点在于高压环境下电阻增大，传导损耗增大。在65C)V以上高压下，Si材料导通电阻很大，因此常采用IGBT结构调制电导率以降低导

12、通电阻，缺点是在关断时产生拖尾电流，开关损耗较大。SiCMOSFET继承了硅基器件的优异特性，关断损耗和导通损耗很小，同时由于漂移层更薄、导通电阻极低、耐压性更好，不会产生拖尾电流，而且可以实现高频驱动，有利于电路节能和散热设备及被动设备的小型化。目前市场上共有180余款SiC-MOSFET系列产品，科瑞和罗姆产品占比达43%,击穿电压650V-1700V,导通电流超过IOe)A；国内目前处于起步阶段，中电科55所、泰科天润、世纪金光、基本半导体、国联万众等企业已推出产品，击穿电压集中在1200V。图9:SiC-MOSFET对标高压Si-MOSFET和IGBTIGBT应用非常广泛，SiC-IG

13、BT限于研发进度尚未实现产业化。IGBT是BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半导体，通过电压驱动控制通断（与MOSFET原理类似），IGBT拥有高输入阻抗和低导通压降特点，缺点在于高频开关时损耗增大。IGBT应用范围一般在耐压600V以上，电流10A以上频率IKHz以上，是电机驱动核心，广泛应用于逆变器、变频器等，在UPS、开关电源、电车、交流电机等领域对GT0、GTR等形成替代。SiC-IGBT作为双极器件，在阻断电压增大时，导通电阻增加很小，非常适合高压大功率领域,现阶段由于研发起步晚，SiC-IGBT尚未实现产业化。1.3.价值量集聚于衬底和外延，成本高企制约

14、产能释放价值量聚焦于衬底和外延，市场规模增长较快碳化硅产业链上下游清晰，衬底和外延是核心环节，价值量占比达70%oSiC产业链主要包括上游衬底和外延制备、中游器件和模块制作以及下游终端应用。从成本结构上看，根据亿渡数据，传统硅基器件衬底价值量仅7%左右，核心为晶圆制造设备，占比50%；与之相比，SiC器件中衬底约占成本47%,外延约占23%,器件制造仅占到19%。衬底市场规模增长较快，导电型衬底占多数。碳化硅衬底主要分为导电型衬底和半绝缘性衬底，主要区别在于电阻率不同，导电型衬底电阻率区间为1530Qcm,半绝缘型衬底电阻率高于105Qcm.根据Yo1e数据，半绝缘型碳化硅衬底全球市场规模由2

15、019年的1.52亿美元增长至2023年的2.10亿美元，导电型碳化硅衬底市场规模从2018年的1.70亿美元增长至2023年的3.80亿美元，增长较快。得益于下游市场的大量需求，至2023年，半绝缘型碳化硅衬底市场将增长至2.81亿美元，导电型碳化硅衬底市场将增长至6.84亿美元。图13:全球半绝缘性Sie衬底市场规模（亿美元）2019202320232023E2023E2024E2025E2026E1.32衬底扩径有望降低成本，8英寸衬底2024年集中落地衬底大型化可增加单批次芯片产量和降低边缘损耗，有望降低制造成本。目前，单片6英寸碳化硅约9001000美元，而单片6英寸硅衬底单价在50

16、美元以下，相差数十倍，阻碍了碳化硅产业化。碳化硅降本核心在于扩大衬底尺寸、提升长晶速度和生产良率。根据WoIfspeed数据，衬底单片尺寸从6英寸扩大到8英寸时，单批次芯片产量从448增长到845,同时边缘损失率从14%降低到7%,大大提高了晶圆利用率。成本降低循序渐进，8英寸衬底预计2024年开始具备优势。衬底扩径对生产工艺和设备要求更严格，8英寸衬底还存在诸多技术问题:首先是8英寸籽晶的研制，其次要解决大尺寸带来的温场不均匀、气相原料分布和输运效率问题，还要解决应力加大导致晶体开裂问题。衬底尺寸从6英寸发展到8英寸，单位面积成本首先会因为良率问题有所上升，随着技术成熟度上升和竞争加剧而逐渐下降。根据WO1fSPeed预测，8英寸衬底于2024年全面达产，单位面积制造成本相比2023年6英寸衬底降幅超过60%o根据PGCConsu1tancy的成本预测模型，20232024年碳化硅8英寸衬底开始具备经济型；到2