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一文了解碳化硅产业当前发展现状

2021-06-28 10:56

碳化硅(SiC)又叫金刚砂,密度是3.2g/cm3,天然碳化硅非常罕见,主要通过人工合成。按晶体结构的不同分类,碳化硅可分为两大类:αSiC和βSiC。
以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能,切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求,是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件,已成为全球半导体技术和产业竞争焦点。
 
2020年全球经济贸易格局处于重塑期,中国经济内外部环境更加复杂严峻,但是全球第三代半导体产业逆势增长。需要认识到,碳化硅产业进入了一个新的发展阶段。
 
碳化硅在半导体产业的应用
碳化硅半导体产业链主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装和终端应用等环节。
1.单晶衬底单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。目前,SiC单晶生长方法有物理气相传输法(PVT法)、液相法(LPE法)、高温化学气相沉积法(HTCVD法)等。
2.外延片碳化硅外延片,是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。实际应用中,宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上,碳化硅晶片本身只作为衬底,包括GaN外延层的衬底。
3.高纯碳化硅粉料碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料,其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。
4.功率器件采用碳化硅材料制造的宽禁带功率器件,具有耐高温、高频、高效的特性。按照器件工作形式,SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。
5.终端应用在第三代半导体应用中,碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补,由于SiC器件高转换效率、低发热特性和轻量化等优势,下游行业需求持续增加,有取代SiO2器件的趋势。
 
碳化硅市场发展现状
 
半导体市场持续发力,碳化硅引领第三代半导体发展
市场应用方面,第三代半导体产品渗透速度加快,应用领域不断扩张,汽车电子、5G通信、快充电源及军事应用等几大动力带领市场快速增长。
2019年,SiC衬底、外延质量继续提升,尺寸不断扩大,缺陷密度持续降低,性价比进一步获得下游认可。SiC衬底及同质外延方面,高品质6英寸材料商业化已经普及。科锐全面转向6英寸SiC产品,首批8英寸SiC衬底制样完成,预计2022年实现量产。
Mouser数据显示,2019年各厂家在售的各类SiC、GaN产品(含功率电子和微波射频,不含LED)已经接近1300款,较2017年增加了6成,仅2019年就新增了321款新品。
近三年Mouser在售的SiC、GaN器件及模块产品数量(款)
导通型碳化硅单晶衬底材料是制造碳化硅功率半导体器件的基材。根据Yolo公司统计,2017年4英寸碳化硅晶圆市场接近10万片;6英寸碳化硅晶圆供货约1.5万片;预计到2020年,4英寸碳化硅晶圆的市场需求保持在10万片左右,单价将降低25%,6英寸碳化硅晶圆的市场需求将超过8万片。
 
汽车电子+5G提速,打开市场增长空间
2019年SiC电力电子器件市场规模约为5.07亿美元,其主要驱动力为新能源汽车。而据中国电子技术标准化研究院数据,全球功率半导体分立器件的销售额约为230.91亿美元,综合Yole的数据,SiC、GaN电力电子器件的渗透率约为2.5%。整体来看,第三代半导体尽管进展较快,但仍然处于较早期的产品导入阶段。
全球汽车功率半导体市场规模稳步增长。根据中商产业研究院、英飞凌数据,预计汽车半导体市场2020年将达到70亿美元,复合增长率6.47%。电动车市场将是SiC器件成长的主要驱动力,包括汽车本身的功率半导体部分以及相关的充电基础设施建设中的功率半导体部分。
2019年,以SiC为代表的第三代半导体电力电子器件在电动汽车领域的应用取得较快进展。国际上有超过20家汽车厂商在车载充电机(OBC)中使用SiC器件,特斯拉Model3的逆变器采用了意法半导体生产的全SiC功率模块,各汽车制造都计划于未来几年在主逆变器中应用SiC电力电子器件。

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