電力電子器件領(lǐng)域，碳化硅大有可為

• 劉春天 2023年2月22日 來源：中研網(wǎng) 504 27
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第三代半導(dǎo)體材料是繼以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的第一代和第二代半導(dǎo)體材料之后，迅速發(fā)展起來的寬禁帶半導(dǎo)體材料。具體是指帶隙寬度達(dá)到2.0-6.0eV的寬禁帶半導(dǎo)體材料，包括了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）,從現(xiàn)階段發(fā)展來看，GaN材料更適合1000V以下電壓等級(jí)，

根據(jù)中研網(wǎng)《2023-2028年中國(guó)第三代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析與投資前景預(yù)測(cè)研究報(bào)告》分析，第三代半導(dǎo)體：更先進(jìn)的材料，更優(yōu)異的產(chǎn)品特性。第三代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度達(dá)到2.0-6.0eV的寬禁帶半導(dǎo)體材料，包括了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），是制造高壓大功率電力電子器件的突破性材料。相比硅基，SiC材料在熱導(dǎo)率、開關(guān)頻率、電子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)均具備優(yōu)勢(shì)，因此SiC材料具備更高效率和功率密度。從產(chǎn)業(yè)鏈來看，襯底是價(jià)值鏈核心，在成本SICSBD器件中，襯底價(jià)值量占比達(dá)到47%。我們認(rèn)為，襯底價(jià)格下降是推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，襯底行業(yè)的發(fā)展也是未來SiC產(chǎn)業(yè)降本增效和商業(yè)化落地的核心驅(qū)動(dòng)因素。

市場(chǎng)空間仍待開發(fā)，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度逐步提升。從市場(chǎng)空間上來看，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2027年市場(chǎng)空間將超過60億美元，僅碳化硅器件中的功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的10.90億美金增長(zhǎng)至2027年的62.97億美金，GAGR達(dá)到34%，從細(xì)分行業(yè)需求來看，新能源產(chǎn)業(yè)鏈和充電基礎(chǔ)設(shè)施將為增長(zhǎng)最快領(lǐng)域。從供給端來看，目前整體產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)芟抻赟iC襯底產(chǎn)能、對(duì)襯底缺陷缺乏有效控制、向大尺寸襯底轉(zhuǎn)移等因素，同時(shí)在外延膜生產(chǎn)設(shè)備基本依靠海外、厚度與摻雜濃度均勻性等因素，外延生產(chǎn)同樣存在壁壘。多因素導(dǎo)致國(guó)內(nèi)SiC市場(chǎng)短期仍表現(xiàn)為供不應(yīng)求局面。

海外廠商為主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)企業(yè)正加速追趕。從行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)角度來看，美歐日為主導(dǎo)，海外廠商例如Wolf speed已突破8英寸節(jié)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)還處于4、6英寸襯底導(dǎo)入階段。但是國(guó)內(nèi)企業(yè)目前正在加速追趕，在專利和市占率持續(xù)提升，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)化帶有“學(xué)研”基因極為突出，包括天岳、天科合達(dá)均為始于院校研究所。

滲透率提升市場(chǎng)空間打開，短期分歧不改長(zhǎng)期趨勢(shì)。市場(chǎng)對(duì)SiC產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)眾多分歧，包括長(zhǎng)期系統(tǒng)成本與單一成本成本分歧、技術(shù)進(jìn)步對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈沖擊以及多制造環(huán)節(jié)的自主可控等，但我們認(rèn)為針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)來說，隨著未來長(zhǎng)期襯底價(jià)格下降，SiC器件接受度和滲透率迎提升，短期分歧不改行業(yè)長(zhǎng)期成長(zhǎng)。

從SiC材料適用范圍來看，碳化硅器件可廣泛應(yīng)用于高壓、高頻和大電流場(chǎng)景，因此十分適合光伏、新能源車和5G通信領(lǐng)域。

從電化學(xué)性質(zhì)差異來看，SiC襯底材料可以分為導(dǎo)電型襯底（電阻率區(qū)間15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm），在不同襯底片上生長(zhǎng)GaN外延制成HEMT等微波射頻器件，應(yīng)用于5G通信、衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域。在導(dǎo)電型襯底片上生長(zhǎng)SiC外延層，通過進(jìn)一步加工制成SiCSBD，SiCMOSFET等功率器件，應(yīng)用于新能源車電驅(qū)電控、OBD和DC/DC，光伏逆變電站、軌交、電網(wǎng)和航空領(lǐng)域。

SiC的發(fā)現(xiàn)始于1824年的瑞典科學(xué)家J.J.Berzelius，但是鑒于當(dāng)時(shí)硅（Si）技術(shù)的卓越發(fā)展，SiC的研究工作沒有再進(jìn)一步。直到20實(shí)際90年代，Si基電力電子裝置出現(xiàn)了性能瓶頸，再次激發(fā)了相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)SiC材料的研究興趣。

由于Si和C之間的共價(jià)鍵比Si原子之間的要強(qiáng)，因此SiC材料要比Si材料具備更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、載流子飽和漂移速率、惹到行和熱穩(wěn)定性。SiC具有250多種不同晶體結(jié)構(gòu)，但目前能商業(yè)化落地只有4H-SiC和6H-SiC，由于4H-SiC相比6H-SiC具備更高載流子遷移率，因此成為SiC基電力電子器件的首選。

在同電壓場(chǎng)景下，寬禁帶半導(dǎo)體能做到更薄和更低的電阻。相同規(guī)格的SiC基MOSFET和Si基MOSFET相比，導(dǎo)通電阻降低為1/200，尺寸減小為1/10；相同規(guī)格的使用SiC基MOSFET的逆變器和使用Si基IGBT相比，總能量損失小于1/4。

在OBC充電樁場(chǎng)景下，SiC更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，極低的導(dǎo)通電阻使得SiC能在22kW快充條件下實(shí)現(xiàn)更少期間數(shù)量和更高運(yùn)行效率。在使用SiC材料情況下，相同功率條件下，期間個(gè)數(shù)也由22只硅基IGBT減少至14只SiCMOSFET。

在22kW雙向OBC應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)比Si基和SiC基系統(tǒng)成本和經(jīng)濟(jì)效益。

Si的系統(tǒng)成本基本上是SiC基系統(tǒng)成本的1.18倍。其中SiC基器件組成OBC充電裝時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)、磁性DC/DC、磁性AC/DC要節(jié)能接近一半左右，Si基器件的總系統(tǒng)成本是SiC基器件的1.18倍。

從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性角度來看，SiC基系統(tǒng)峰值效率能夠達(dá)到97%，而Si基系統(tǒng)峰值效率僅為95%，同時(shí)SiC基的能量密度能夠提升50%以上，具有非常強(qiáng)勁的性能提升。

第三代半導(dǎo)體行業(yè)加速發(fā)展，新能源產(chǎn)業(yè)鏈為增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。盡管第三代半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)時(shí)間很早，但受制于成本和產(chǎn)業(yè)鏈不成熟等因素并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化落地，2019年，以GaN-on-SiC等射頻器件的推廣，對(duì)設(shè)備開發(fā)，襯底和外延技術(shù)的推動(dòng)形成了正向反饋。同時(shí)Wolfspeed已完成8英寸SiC襯底片的流片，6英寸產(chǎn)業(yè)鏈大規(guī)模商業(yè)化落地已逐步成型。

同時(shí)SiC功率器件廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng)域，未來市場(chǎng)增速能夠得到保證。同時(shí)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也有多家企業(yè)布局SiC產(chǎn)業(yè)，未來市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局將持續(xù)深化。

預(yù)計(jì)27年市場(chǎng)空間將超過60億美元。根據(jù)Yole測(cè)算，僅碳化硅器件中的功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的10.90億美金增長(zhǎng)至2027年的62.97億美金，復(fù)合年增長(zhǎng)率約34%。

從細(xì)分行業(yè)來看，新能源產(chǎn)業(yè)鏈和充電基礎(chǔ)設(shè)施將為增長(zhǎng)最快領(lǐng)域。

SiC器件主要應(yīng)用在車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器上。在2017年之前車載充電器主要以SiCSBD為主，而在2017年后SiCSBD和SiCMOSFET的方案已經(jīng)成熟。在2018年，DC/DC轉(zhuǎn)換器也由SiMOSFET逐漸變成以SiCMOSFET為主。

SiC功率器件主要應(yīng)用于主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC車載電源轉(zhuǎn)換器和大功率DC/DC充電器領(lǐng)域。隨著未來800V電壓平臺(tái)推出，在大功率，大電流條件下減少損耗、增大效率和減小器件尺寸，電機(jī)控制器的主驅(qū)逆變器將不可避免從硅基IGBT替換為SiC基MOS模塊，存量替代市場(chǎng)空間巨大。特斯拉（Tesla）在2018年，將Model3車型的主驅(qū)動(dòng)逆變器中已經(jīng)使用了SiCMOSFET，將SiIGBT替換為。

SiC器件后，新能源汽車逆變器效率可以大幅提升，相同續(xù)航下對(duì)電池容量需求降低，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冷卻體積和重量的優(yōu)化，有效降低SiC器件本身帶來的成本增加。

SiC功率器件主要應(yīng)用于主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC車載電源轉(zhuǎn)換器和大功率DC/DC充電器領(lǐng)域。隨著未來800V電壓平臺(tái)推出，在大功率，大電流條件下減少損耗、增大效率和減小器件尺寸，電機(jī)控制器的主驅(qū)逆變器將不可避免從硅基IGBT替換為SiC基MOS模塊，存量替代市場(chǎng)空間巨大。

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