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    碳化硅有望引领中国半导体走向黄金时代

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    碳化硅有望引领中国半导体走向黄金时代

    489
    2021年中国碳化硅行业研究
    2021年中国碳化硅行业研究

    头豹研究院

    发布时间

    2021-9-23 00:00

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    本文援引于报告《2021年中国碳化硅行业研究》,首发于头豹科技创(www.leadleo.com)。

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    客服邮箱:CS@leadleo.com 咨询热线:400-072-5588

     

    核心摘要:

    碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料,碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。目前中国碳化硅产业总体落后于以美国、日本为代表的发达国家,其产业链逐个环节均由西方发达国家占据主导地位。新能源汽车领域是SiC功率器件应用的主要驱动力。SiC功率器件可有效帮助新能源汽车延长行驶里程,缩短充电时间,减轻车身重量;随着新能源汽车销量的快速增长,SiC功率器件的市场需求量势必将快速上升。

     

    碳化硅是中国实现第三代半导体国产替代的重要材料

    碳化硅器件的意义不仅在于其本身的优异性能,其更是对中国半导体产业提供国产替代的重要发展机遇。在传统的硅基半导体领域,技术进步已经放缓,发达国家依靠着数十年的研发和布局,积累了足够多的专利,并掌控着上游关键材料和设备的技术和供应链,占据着对中国半导体进行制裁、发动科技战的主动权。在产业配套全面落后的情况下,中国在硅基半导体领域的替代进程缓慢。而在第三代半导体产业中,中国企业与海外龙头的差距相对更小,发达国家可以用来制裁和控制中国第三代半导体发展的手段和技术也十分有限,因此第三代半导体是中国企业实现半导体产业快速发展及本土化的重要赛道。


     

     

    碳化硅材料是第三代半导体的主要原材料,有望在高功率和高频领域部分替代硅

    硅是制造第一代半导体芯片及器件最为主要的原材料,但其性能已经难以满足高功率及高频器件的需求,碳化硅材料是第三代半导体的主要原材料,有望在高功率和高频领域部分替代硅。碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料,碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。除了更耐高压,SiC功率器件在开关频率、散热能力和损耗等指标上也远好于硅基器件,主要体现在:

    (1)阻抗更低,可以缩小产品体积,提高转换效率;

    (2)频率更高,碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍,而且效率不随着频率的升高而降低,可以降低能量损耗。

     

    碳化硅产业由西方发达国家占据主导地位

    碳化硅的产业链上游为衬底材料、中游外延材料、下游为射频器件和功率器件,以及终端应用领域新能源汽车、光伏、5G通信等领域。中国碳化硅产业总体落后于以美国、日本为代表的发达国家,其产业链逐个环节均由西方发达国家占据主导地位。

     

    全球SiC衬底产业呈现美国一家独大的竞争格局

    从市占率角度来看,2020年全球SiC衬底环节呈现“一超”格局,美国在碳化硅领域布局时间较早,因此占据全球SiC衬底约60%的市场份额。其中CREE和Ⅱ-Ⅵ的市占率分别为45%和13%,CREE的导电型衬底市占率约62%,半绝缘型为33%,而中国本土企业由于起步较晚,SiC衬底总体市占率约10%。

     

    在技术方面,美国企业CREE和Ⅱ-Ⅵ已经成功研发8英寸SiC衬底,中国企业的SiC衬底主要集中在4英寸和6英寸。与硅晶圆类似,大尺寸的晶圆也是碳化硅衬底的发展方向。衬底尺寸越大,单位衬底可制造的芯片数量越多,边缘浪费越小,单位芯片成本越低。美国企业CREE和Ⅱ-Ⅵ基于先发优势,率先完成8英寸衬底的研发。 中国企业起步较晚,研发进度稍慢,衬底质量与国外差距仍然较 大,但也已经完成6寸产品的布局,与行业龙头企业的差距在不断缩小。

     

    全球SiC外延设备被行业四大龙头企业Axitron、LPE、TEL和Nuflare所垄断,CR4约为100%

    行业四大龙头企业的SiC外延设备具有各自的优势。Axitron的外延设备的生长能力最强(10*100mm&6*150mm),因此其产能相对更大。LPE的外延设备的生长速率最高(>90um/h)。日企TEL的设备为双腔体,有助于提高产量。而Nuflare的旋转速率更高,每分钟可达1,000转,因此均匀性更强,同时它的气流方向不同于其他设备,是垂直向下的,因此能够避免一些颗粒物的产生,减少颗粒物滴落到片子上的概率。

     

    中国SiC外延技术发展起步较晚,技术水平整体相对落后。目前中国厂商在SiC外延晶片的布局均为4英寸和6英寸,而海外国家(如美国、日本)已在开始试产8英寸的SiC外延晶片。目前中国超过数十家在布局规划SiC外延晶片的生产,其中中外合资企业瀚天天成是中国第一大纯SiC外延晶片的生产商。

     

    中国碳化硅器件厂商以IDM为主,少量为纯设计企业

    在SiC功率器件领域,全球主要的市场份额主要掌握在美国的CREE和日本的Rohm两大全产业链覆盖的行业龙头手中,市占率分别为27%和22%。由于SiC器件对稳定性要求较高,并有较长的验证周期,因此中国厂商切入较为缓慢。

     

    由于SiC功率器件能够显著提升新能源汽车的性能,如提升续航能力和充电速率,以及汽车轻量化,因此SiC功率器件在新能源汽车领域的应用比例最高,达33%。但由于SiC器件价格较为昂贵,因此在新能源汽车的渗透率目前仅为2%。


     


    深度解读:碳化硅如何提升新能源汽车的性能?

    SiC器件可有效提升新能源汽车的续航能力、充电速度以及车身轻量化:

    (1)提升电能转换效率增加续航里程: SiC器件的导通损耗比Si基器件降低80%以上,同时在25℃下,SiC MOSFET关断损耗大约是Si IGBT的20%,电能转换效率更高;

    (2)助力新能源车实现轻量化:SiC具备较高的载流子迁移率,能够提供较高的电流密度,在相同功率下,SiC功率模块体积可缩小至Si功率模块的2/3-1/3。SiC材料的电子饱和速率是Si的2倍,有助于提升器件的工作频率,减少无源器件的体积,同时SiC禁带宽度宽且热导率高,易散热,器件可在更高的环境温度下工作,有望实现两套水冷系统合二为一,减少散热器体积和成本;

    (3)助力新能源车提升充电速度:碳化硅材料具有高耐压性。4H-SiC的临界击穿电场高达2MV/cm,具有更高的耐压能力(10倍于Si),因此可承受更高的电压,从而提升充电速度。

     

    新能源汽车领域是SiC功率器件应用的主要驱动力。SiC功率器件可有效帮助新能源汽车延长行驶里程,缩短充电时间,减轻车身重量;随着新能源汽车销量的快速增长,SiC功率器件的市场需求量势必将快速上升。根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》,中国新能源汽车于2025年将实现渗透率达到20%的目标,约为560辆,将带动SiC器件行业快速发展

     

    重点关注企业

    通过深度研究碳化硅的优质企业,头豹建议重点关注瀚天天成、泰科天润、三安光电。

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    碳化硅有望引领中国半导体走向黄金时代,碳化硅,衬底,外延,功率器件,新能源汽车,非必需性消费/汽车,智能终端产业,行业报告
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