一文了解碳化硅產(chǎn)業(yè)當前發(fā)展現狀
碳化硅(SiC)又叫金剛砂,密度是3.2g/cm3,天然碳化硅非常罕見(jiàn),主要通過(guò)人工合成。按晶體結構的不同分類(lèi),碳化硅可分為兩大類(lèi):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(yōu)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(dòng)通信、新能源汽車(chē)、高速軌道列車(chē)、能源互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng )新發(fā)展和轉型升級的重點(diǎn)核心材料和電子元器件,已成為全球半導體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭焦點(diǎn)。
2020年全球經(jīng)濟貿易格局處于重塑期,中國經(jīng)濟內外部環(huán)境更加復雜嚴峻,但是全球第三代半導體產(chǎn)業(yè)逆勢增長(cháng)。需要認識到,碳化硅產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。
碳化硅在半導體產(chǎn)業(yè)的應用
碳化硅半導體產(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、模塊封裝和終端應用等環(huán)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(cháng)基片。目前,SiC單晶生長(cháng)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(cháng)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(cháng)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(cháng)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(kāi)關(guān)管。
5.終端應用在第三代半導體應用中,碳化硅半導體的優(yōu)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(fā)熱特性和輕量化等優(yōu)勢,下游行業(yè)需求持續增加,有取代SiO2器件的趨勢。
碳化硅市場(chǎng)發(fā)展現狀
半導體市場(chǎng)持續發(fā)力,碳化硅引領(lǐng)第三代半導體發(fā)展
市場(chǎng)應用方面,第三代半導體產(chǎn)品滲透速度加快,應用領(lǐng)域不斷擴張,汽車(chē)電子、5G通信、快充電源及軍事應用等幾大動(dòng)力帶領(lǐng)市場(chǎng)快速增長(cháng)。
2019年,SiC襯底、外延質(zhì)量繼續提升,尺寸不斷擴大,缺陷密度持續降低,性?xún)r(jià)比進(jìn)一步獲得下游認可。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全面轉向6英寸SiC產(chǎn)品,首批8英寸SiC襯底制樣完成,預計2022年實(shí)現量產(chǎn)。
Mouser數據顯示,2019年各廠(chǎng)家在售的各類(lèi)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(chǎng)接近10萬(wàn)片;6英寸碳化硅晶圓供貨約1.5萬(wàn)片;預計到2020年,4英寸碳化硅晶圓的市場(chǎng)需求保持在10萬(wàn)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(guò)8萬(wàn)片。
汽車(chē)電子+5G提速,打開(kāi)市場(chǎng)增長(cháng)空間
2019年SiC電力電子器件市場(chǎng)規模約為5.07億美元,其主要驅動(dòng)力為新能源汽車(chē)。而據中國電子技術(shù)標準化研究院數據,全球功率半導體分立器件的銷(xiāo)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(lái)看,第三代半導體盡管進(jìn)展較快,但仍然處于較早期的產(chǎn)品導入階段。
全球汽車(chē)功率半導體市場(chǎng)規模穩步增長(cháng)。根據中商產(chǎn)業(yè)研究院、英飛凌數據,預計汽車(chē)半導體市場(chǎng)2020年將達到70億美元,復合增長(cháng)率6.47%。電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)將是SiC器件成長(cháng)的主要驅動(dòng)力,包括汽車(chē)本身的功率半導體部分以及相關(guān)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(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應用取得較快進(jìn)展。國際上有超過(guò)20家汽車(chē)廠(chǎng)商在車(chē)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(chǎn)的全SiC功率模塊,各汽車(chē)制造都計劃于未來(lái)幾年在主逆變器中應用SiC電力電子器件。