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第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料,应用极为普遍,包括集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用;

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb),主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件(LED),是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

Si基器件在600V以上高电压以及高功率场合达到其性能的极限;为了提升在高压/高功率下器件的性能,第三代半导体材料SiC(宽禁带)应运而生;

第三代半导体主要是SiC和GaN,第二代和第三代也称作化合物半导体,即两种元素组成的半导体材料,区别于硅/锗等单质半导体。

SiC材料具有明显的性能优势,SiC和GaN是第三代半导体材料,与第一二代半导体材料相比,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势,所以又叫宽禁带半导体材料,特别适用于5G射频器件和高电压功率器件。

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第三代半导体 SiC 器件的性能优势

SiC 的功率器件如 SiC MOS,相比于 Si 基的 IGBT,其导通电阻可以做的更低,体现在产品上面,就是尺寸降低,从而缩小体积,并且开关速度快,功耗相比于传统功率器件要大大降低。在电动车领域,电池重量大且价值量高,如果在 SiC 器件的使用中可以降低功耗,减小体积,那么在电池的安排上就更游刃有余;同时在高压直流充电桩中 应用 SiC 会使得充电时间大大缩短,带来的巨大社会效益。

根据Cree提供的测算:将纯电动车BEV逆变器中的功率组件改成SiC时,大概可以减少整车功耗5%-10%;这样可以提升续航能力,或者减少动力电池成本。总结来说,SiC器件具备的多种优势将带动电动车续航能力的提升:1)高电能转换效率:SiC属于宽能隙材料,击穿场强度大比Si基半导体材料更适用在高功率的应用场景;2)高电能利用效率:SiC属于宽能隙材料,击穿场强度大比Si基半导体材料更适用在高功率的应用场景;3)低无效热耗:开关频率高,速度快,所产生无效的热耗减少,使的电路、散热系统得以简化。2019年国际上的功率半导体巨头不断推出新的基于SiC材料的功率器件,且推出的几款SiC SBD及MOSFET均符合车规级(AEC-Q101)标准,这些产品应用于新能源车或者光伏领域等功率器件需求场景,将显著减少功耗,提高转化效率。

02

政策支持 VS 产业成熟度提升

全球对第三代半导体均展开全面战略部署

2014年初,美国宣布成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”,期望通过加强第三代半导体技术的研发和产业化,使美国占领下一代功率电子产业。

这个正出现的规模最大、发展最快的新兴市场,并为美国创造出一大批高收入就业岗位。

日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”由大阪大学牵头,协同罗姆、三菱电机、松下电器等18家从事SiC和GaN材料、器件以及应用技术开发及产业化的知名企业、大学和研究中心;欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”,由意法半导体公司牵头,协同来自意大利、德国等六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心,联合攻关SiC和GaN的关键技术。

国内政策支持持续加强

我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展第三代半导体产业。2015年5月,中国建立第三代半导体材料及应用联合创新基地,抢占第三代半导体战略新高地;国家科技部、工信部、北京市科委牵头成立第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA),对推动我国第三代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。

制约产业发展的主要瓶颈在于成本和可靠性验证

行业发展的瓶颈目前在于SiC衬底成本高:目前SiC的成本是Si的4-5倍,预计未来3-5年价格会逐渐降为Si的2倍左右,SiC行业的增速取决于SiC产业链成熟的速度,目前成本较高,且SiC器件产品参数和质量还未经足够验证;

SiC MOS的产品稳定性需要时间验证:根据英飞凌2020年功率半导体应用大会上专家披露,目前SiC MOSFET真正落地的时间还非常短,在车载领域才刚开始商用(Model 3中率先使用了SiC MOS的功率模块),一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证,SiC MOS在车载和工控等领域验证自己的稳定性和寿命等指标需要较长时间;

根据Yole预测,SiC和GaN电力电子器件(注意是GaN在电力电子中的应用,不包括在高频射频器件)2023年在整体功率器件渗透率分别为3.75%和1%;驱动因素是新能源汽车新能源发电以及快充。

目前国内外SiC产业链日趋成熟,成本持续下降,下游接受度也开始提升,目前整个产业链处于行业爆发的前夜。

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SiC 器件:10年20倍成长,国内全面布局


应用:新能源车充电桩和光伏等将率先采用

SiC具有前述所说的各种优势,是高压/高功率/高频的功率器件相对理想的材料,所以SiC功率器件在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对效率、节能和损耗等指标比较看重的领域,具有明显的发展前景。

高频低压用Si-IGBT,高频高压用SiC MOS,电压功率不大但是高频则用GaN。当低频、高压的情况下用Si的IGBT是最好,如果稍稍高频但是电压不是很高,功率不是很高的情况下,用Si的MOSFET是最好。如果既是高频又是高压的情况下,用SiC的MOSFET最好。电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下用GaN效果最佳。

以新能源车中应用SiC MOS为例,根据Cree提供的测算:将纯电动车BEV逆变器中的功率组件改成SiC时,大概可以减少整车功耗5%-10%;这样可以提升续航能力,或者减少动力电池成本。

同时SiC MOS在快充充电桩等领域也将大有可为。快速充电桩是将外部交流电,透过IGBT或者SiC MOS转变为直流电,然后直接对新能源汽车电池进行充电,对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感,因此不考虑成本,SiC MOS比IGBT更有前景和需求,由于目前SiC的成本目前是Si的4-5倍,因此会在高功率规格的快速充电桩首先导入。在光伏领域,高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势,因此基于性能更优异的SiC材料的光伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。

SiC肖特基二极管的应用比传统的肖特基二极管同样有优势。碳化硅肖特基二极管相比于传统的硅快恢复二极管(SiFRD),具有理想的反向恢复特性。在器件从正向导通向反向阻断转换时,几乎没有反向恢复电流,反向恢复时间小于20ns,因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率,在相同频率下具有更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数,随着温度的上升电阻也逐渐上升,这使得SiC肖特基二极管非常适合并联实用,增加了系统的安全性和可靠性。

总结来看,SiC肖特基二极管具有的特点如下:1)几乎无开关损耗;2)更高的开关频率;3)更高的效率;4)更高的工作温度;5)正的温度系数,适合于并联工作;6)开关特性几乎与温度无关。

根据CASA的统计,业内反应SiC SBD实际的批量采购成交价已经降至1元/A以下,耐压600-650V的产品业内批量采购价约为0.6元/A,而耐压1200V的产品业内批量采购价约为1元/A。

如上表所示,2019年部分SiC肖特基二极管产品价格实现了20%-35%的降幅,SiC二极管价格的持续降低以及和Si二极管价差的缩小将进一步促进SiC二极管的应用。

门槛:SiC 器件的壁垒和难点

SiC难度大部分集中在SiC晶片的长晶和衬底制作方面,但是要做成器件,也有一些自身的难点,主要包括:

1、外延工艺效率低:碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。

2.欧姆接触的制作:欧姆接触是器件器件制作中十分重要的工艺之一,要形成好的碳化硅的欧姆接触在实际中还是有较大难度;

3.配套材料的耐高温:碳化硅芯片本身是耐高温的,但与其配套的材料就不见得能够耐得住600℃以上的温度。所以整体工作温度的提高,需要不断的进行配套材料方面创新。

SiC的优异性能大家认识较早,之所以最近几年才有较好的进展主要是因为SiC片和SiC器件两个方面相比传统的功率器件均有一些难点,器件生产的高难度高成本加上碳化硅片制造的高难度,两者互为循环,一定程度上制约了过去几年SiC应用的推广速度,随着产业链逐渐成熟,SiC正处于爆发的前夜,拐点渐行渐近。

空间&增速:SiC 器件未来 5-10 年复合 40%增长

IHS预计未来5-10年SiC器件复合增速40%:根据IHSMarkit数据,2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元,受新能源汽车庞大需求的驱动,以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,18-27年9年的复合增速接近40%。

用渗透率角度测算 SiC MOS 器件市场空间:(SiC MOS 只是 SiC 器件的一种) SiC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度较大,因此,驱动 IGBT 行业空间高成长驱动因素如车载、充电桩、工控、光伏风电以及家电市场,也都是 SiC MOS 功率器件将来要涉足的领域;根据我们之前系列行业报告的大致测算,2019 年 IGBT 全球 58 亿美金,中国22亿美金空间,在车载和充电桩和工控光伏风电等的带动下,预计 2025 年 IGBT 全球 120 亿美金,中国 60 亿美金。

SiC MOS器件的渗透率取决于其成本下降和产业链成熟的速度,根据英飞凌和国内相关公司调研和产业里的专家的判断来看,SiC MOS渗透IGBT的拐点可能在2024年附近。预计2025年全球渗透率25%,则全球有30亿美金SiC MOS器件市场,中国按照20%渗透率2025年则有12亿美金的SiC MOS空间。即不考虑SiC SBD和其他SiC功率器件,仅测算替代IGBT那部分的SiC MOS市场预计2025年全球30亿美金,相对2019年不到4亿美金有超过7倍成长,且2025-2030年增速延续。

04

SiC 晶片:高成长高壁垒,国产奋起直追

成长分析

SiC 晶片对应的下游器件

如前分析所述,碳化硅晶片主要用来做成高压功率器件和高频功率器件:SiC晶片主要分为两种类型:导电型的SiC晶片经过SiC外延后制作高压功率器件;半绝缘型的SiC晶片经过GaN外延后制5G射频器件(特别是PA);

SiC 晶片的下游器件未来市场空间及增长

碳化硅晶片主要用于大功率和高频功率器件:2018年氮化镓射频器件全球市场规模约 4.2 亿美元(约28亿元人民币),随着 5G 通讯网络的推进,氮化 镓射频器件市场将迅速扩大,Yole 预计到 2023 年,全球射频氮化镓器件市场规模将达到 13 亿美元(约 91 亿元人民币);继续引用前面 IHS 的预测,则 SiC 功率器件将由 2019 年的4.5 亿美元到 2025 年接近 30 亿美元。

第三代半导体GaN在高频射频领域的市场规模:根据Yole的数据,2017年氮化镓射频市场规模为4亿美元,将于2023年增长至接近13亿美元,复合增速为22%,下游应用结构整体保持稳定,以通讯与军工为主,二者合计占比约为80%。而整体射频器件的市场空间在2018-2025在8%左右,GaN射频器件增速远远高于射频器件整体市场的增长。

SiC 晶片本身的市场空间及增速

导电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,根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟的测算:

2017-2020年市场需求:2017年4英寸10万片、6英寸1.5万片→预计到2020年4英寸保持10万片、6英寸超过8万片。

2020-2025年市场需求:4英寸逐步从10万片市场减少到5万片,6英寸晶圆将从8万片增长到20万片;

2025~2030年:4英寸晶圆逐渐退出市场,6英寸晶圆将增长至40万片。

半绝缘碳化硅具备高电阻的同时可以承受更高的频率,主要应用在高频射频器件;同样根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟的测算:

2017年市场需求:全球半绝缘碳化硅晶片的市场需求约4万片;2020年:4英寸半绝缘SiC维持4万片、6英寸半绝缘SiC晶片5万片;

2025年市场需求:预计4英寸半绝缘到2万片、6英寸到10万片;

2025-2030年市场需求:4英寸半绝缘衬底逐渐退出市场,而6英寸需求到20万片。

整体SiC晶片全球市场空间预计从2020的30亿RMB增长至2027年150亿元RMB,作为对比,2018年全球硅片市场90亿美元,国内硅片市场约130亿元(近8年复合增长5%-7%)。

05

壁垒分析

SiC晶片的壁垒较高

SiC晶片的核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等。在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长、同时控制参数指标是复杂的系统工程,将生长好的晶体加工成可以满足半导体器件制造所需晶片又涉及一系列高难度工艺调控;随着碳化硅晶体尺寸的增大及产品参数要求的提高,生产参数的定制化设定和动态控制难度会进一步提升。因此,稳定量产各项性能参数指标波动幅度较低的高品质碳化硅晶片的技术难度很大。

1.精确调控温度:碳化硅晶体需要在2,000℃以上的高温环境中生长,且在生产中需要精确调控生长温度,控制难度极大;

2.容易产生多晶型杂质:碳化硅存在200多种晶体结构类型,其中六方结构的4H型(4H-SiC)等少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才是所需的半导体材料,在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数,否则容易产生多晶型夹杂,导致产出的晶体不合格;

3.晶体扩径难度大:气相传输法下,碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大,随着晶体尺寸的扩大,其生长难度工艺呈几何级增长;

4.硬度极大难切割:碳化硅硬度与金刚石接近,切割、研磨、抛光技术难度大,工艺水平的提高需要长期的研发积累;

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竞争分析

海外基本垄断市场

目前,碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大的特点。以导电型产品为 例,2018 年美国占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上,仅 CREE 公司就占据 60%以上市场份额,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。

后进者难度较大

由于碳化硅材料特殊的物理性质,其晶体生长、晶体切割、晶片加工等环节的技术和工艺要求高,需要长期投入和深耕才能形成产业化生产能力,行业门槛很高。

后进入的碳化硅晶片生产商在短期内形成规模化供应能力存在较大难度,市场供给仍主要依靠现有晶片生产商扩大自身生产能力,国内碳化硅晶片供给不足的局面预计仍将维持一段时间。

文稿来源:半导体行业观察

图片来源:拍信网


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