一文了解碳化硅產業當前發展現狀
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。按晶體結構的不同分類，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體具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，切合節能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰略需求，是支撐新一代移動通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯網等產業自主創新發展和轉型升級的重點核心材料和電子元器件，已成為全球半導體技術和產業競爭焦點。
2020年全球經濟貿易格局處于重塑期，中國經濟內外部環境更加復雜嚴峻，但是全球第三代半導體產業逆勢增長。需要認識到，碳化硅產業進入了一個新的發展階段。
碳化硅在半導體產業的應用
碳化硅半導體產業鏈主要包括碳化硅高純粉料、單晶襯底、外延片、功率器件、模塊封裝和終端應用等環節。
1.單晶襯底單晶襯底是半導體的支撐材料、導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。實際應用中，寬禁帶半導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，其產品純度直接影響碳化硅單晶的生長質量以及電學性能。
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管。
5.終端應用在第三代半導體應用中，碳化硅半導體的優勢在于可與氮化鎵半導體互補，由于SiC器件高轉換效率、低發熱特性和輕量化等優勢，下游行業需求持續增加，有取代SiO2器件的趨勢。
碳化硅市場發展現狀
半導體市場持續發力，碳化硅引領第三代半導體發展
市場應用方面，第三代半導體產品滲透速度加快，應用領域不斷擴張，汽車電子、5G通信、快充電源及軍事應用等幾大動力帶領市場快速增長。
2019年，SiC襯底、外延質量繼續提升，尺寸不斷擴大，缺陷密度持續降低，性價比進一步獲得下游認可。SiC襯底及同質外延方面，高品質6英寸材料商業化已經普及。科銳全面轉向6英寸SiC產品，首批8英寸SiC襯底制樣完成，預計2022年實現量產。
Mouser數據顯示，2019年各廠家在售的各類SiC、GaN產品（含功率電子和微波射頻，不含LED）已經接近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器件及模塊產品數量（款）
導通型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導體器件的基材。根據Yolo公司統計，2017年4英寸碳化硅晶圓市場接近10萬片；6英寸碳化硅晶圓供貨約1.5萬片；預計到2020年，4英寸碳化硅晶圓的市場需求保持在10萬片左右，單價將降低25%，6英寸碳化硅晶圓的市場需求將超過8萬片。
汽車電子+5G提速，打開市場增長空間
2019年SiC電力電子器件市場規模約為5.07億美元，其主要驅動力為新能源汽車。而據中國電子技術標準化研究院數據，全球功率半導體分立器件的銷售額約為230.91億美元，綜合Yole的數據，SiC、GaN電力電子器件的滲透率約為2.5%。整體來看，第三代半導體盡管進展較快，但仍然處于較早期的產品導入階段。
全球汽車功率半導體市場規模穩步增長。根據中商產業研究院、英飛凌數據，預計汽車半導體市場2020年將達到70億美元，復合增長率6.47%。電動車市場將是SiC器件成長的主要驅動力，包括汽車本身的功率半導體部分以及相關的充電基礎設施建設中的功率半導體部分。
2019年，以SiC為代表的第三代半導體電力電子器件在電動汽車領域的應用取得較快進展。國際上有超過20家汽車廠商在車載充電機（OBC）中使用SiC器件，特斯拉Model3的逆變器采用了意法半導體生產的全SiC功率模塊，各汽車制造都計劃于未來幾年在主逆變器中應用SiC電力電子器件。
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