一文了解碳化硅產(chǎn)業(yè)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀
2021-06-28
碳化硅（SiC）又叫金剛砂，密度是3.2g/cm3，天然碳化硅非常罕見，主要通過人工合成。按晶體結(jié)構(gòu)的不同分類，碳化硅可分為兩大類：αSiC和βSiC。
以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，切合節(jié)能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰(zhàn)略需求，是支撐新一代移動(dòng)通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的重點(diǎn)核心材料和電子元器件，已成為全球半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
2020年全球經(jīng)濟(jì)貿(mào)易格局處于重塑期，中國經(jīng)濟(jì)內(nèi)外部環(huán)境更加復(fù)雜嚴(yán)峻，但是全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)逆勢(shì)增長。需要認(rèn)識(shí)到，碳化硅產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。
碳化硅在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用
碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅高純粉料、單晶襯底、外延片、功率器件、模塊封裝和終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)。
1.單晶襯底單晶襯底是半導(dǎo)體的支撐材料、導(dǎo)電材料和外延生長基片。目前，SiC單晶生長方法有物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法（LPE法）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD法）等。
2.外延片碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實(shí)際應(yīng)用中，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。
3.高純碳化硅粉料碳化硅高純粉料是采用PVT法生長碳化硅單晶的原料，其產(chǎn)品純度直接影響碳化硅單晶的生長質(zhì)量以及電學(xué)性能。
4.功率器件采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、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極管和功率開關(guān)管。
5.終端應(yīng)用在第三代半導(dǎo)體應(yīng)用中，碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)在于可與氮化鎵半導(dǎo)體互補(bǔ)，由于SiC器件高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱特性和輕量化等優(yōu)勢(shì)，下游行業(yè)需求持續(xù)增加，有取代SiO2器件的趨勢(shì)。
碳化硅市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
半導(dǎo)體市場(chǎng)持續(xù)發(fā)力，碳化硅引領(lǐng)第三代半導(dǎo)體發(fā)展
市場(chǎng)應(yīng)用方面，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品滲透速度加快，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張，汽車電子、5G通信、快充電源及軍事應(yīng)用等幾大動(dòng)力帶領(lǐng)市場(chǎng)快速增長。
2019年，SiC襯底、外延質(zhì)量繼續(xù)提升，尺寸不斷擴(kuò)大，缺陷密度持續(xù)降低，性價(jià)比進(jìn)一步獲得下游認(rèn)可。SiC襯底及同質(zhì)外延方面，高品質(zhì)6英寸材料商業(yè)化已經(jīng)普及?？其J全面轉(zhuǎn)向6英寸SiC產(chǎn)品，首批8英寸SiC襯底制樣完成，預(yù)計(jì)2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
Mouser數(shù)據(jù)顯示，2019年各廠家在售的各類SiC、GaN產(chǎn)品（含功率電子和微波射頻，不含LED）已經(jīng)接近1300款，較2017年增加了6成，僅2019年就新增了321款新品。
近三年Mouser在售的SiC、GaN器件及模塊產(chǎn)品數(shù)量（款）
導(dǎo)通型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導(dǎo)體器件的基材。根據(jù)Yolo公司統(tǒng)計(jì)，2017年4英寸碳化硅晶圓市場(chǎng)接近10萬片；6英寸碳化硅晶圓供貨約1.5萬片；預(yù)計(jì)到2020年，4英寸碳化硅晶圓的市場(chǎng)需求保持在10萬片左右，單價(jià)將降低25%，6英寸碳化硅晶圓的市場(chǎng)需求將超過8萬片。
汽車電子+5G提速，打開市場(chǎng)增長空間
2019年SiC電力電子器件市場(chǎng)規(guī)模約為5.07億美元，其主要驅(qū)動(dòng)力為新能源汽車。而據(jù)中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院數(shù)據(jù)，全球功率半導(dǎo)體分立器件的銷售額約為230.91億美元，綜合Yole的數(shù)據(jù)，SiC、GaN電力電子器件的滲透率約為2.5%。整體來看，第三代半導(dǎo)體盡管進(jìn)展較快，但仍然處于較早期的產(chǎn)品導(dǎo)入階段。
全球汽車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院、英飛凌數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)2020年將達(dá)到70億美元，復(fù)合增長率6.47%。電動(dòng)車市場(chǎng)將是SiC器件成長的主要驅(qū)動(dòng)力，包括汽車本身的功率半導(dǎo)體部分以及相關(guān)的充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的功率半導(dǎo)體部分。
2019年，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體電力電子器件在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用取得較快進(jìn)展。國際上有超過20家汽車廠商在車載充電機(jī)（OBC）中使用SiC器件，特斯拉Model3的逆變器采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的全SiC功率模塊，各汽車制造都計(jì)劃于未來幾年在主逆變器中應(yīng)用SiC電力電子器件。
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