2021-07-03 20:07·智东西
![]() 硅是目前制造芯片和半导体器件最广泛的原材料, 90%以上的半导体产品是以硅为原材料制成的。然而受材料本身特性的限制,硅基功率器件已经渐渐难以满足 5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。 碳化硅是第三代半导体材料,作为宽禁带半导体材料的一种,与硅的主要差别在禁带宽度上,这让同性能的碳化硅器件尺寸缩小到硅基的十分之一,能量损失减少了四分之三,成为制备高压及高频器件新的衬底材料。 碳化硅器件具备广阔的应用领域和市场空间, 2019 年全球碳化硅功率器件市场规模为 5.41 亿美元,预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元,年化复合增速约 30%。 本期的智能内参,我们推荐东兴证券的报告《碳化硅产业:已处于爆发前夜,有望引领中国半导体进入黄金时代》,解析碳化硅材料的性质特点、应用范围和市场格局。 本期内参来源:东兴证券 原标题: 《碳化硅产业:已处于爆发前夜,有望引领中国半导体进入黄金时代》 作者: 吴昊 陈宇哲 吴天元
一、碳化硅,第三代半导体材料第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料,和传统硅材料主要的区别在禁带宽度上。禁带宽度是判断一种半导体材料击穿电压高低的重要指标,禁带宽度数值越大,则该种材料制成器件的耐高压能力越强。以碳化硅为代表的第三代半导体材料往往具备更宽的禁带宽度,因此也被称为宽禁带半导体材料(大于 2.3eV)。 由于氮化镓在材料制备环节仍有技术难度,当前具备大规模量产条件的可用于制备功率器件的第三代半导体材料仅有碳化硅。根据天科合达招股书数据,4H 型碳化硅的禁带宽度为 3.2eV,是硅材料禁带宽度 1.1eV 的约 3倍,这使得其击穿电场强度达到了硅的约 7 倍,非常适合用来制备功率器件。 ![]() 常见半导体衬底材料性能对比 除了更耐高压,碳化硅基功率器件在开关频率、散热能力和损耗等指标上也远好于硅基器件。除了禁带宽度更宽,碳化硅材料还具有更高的饱和电子迁移速度、更高的热导率和更低的导通阻抗,碳化硅器件相比于硅基器件的优势体现在: 1、 阻抗更低,可以缩小产品体积,提高转换效率; 2、 频率更高,碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的 10 倍,而且效率不随着频率的升高而降低,可以降低能量损耗; 3、 能在更高的温度下运行,同时冷却系统可以做的更简单。碳化硅功率器件工作温度可达 600℃以上,是同等硅器件的 4 倍,可以承受更加极端的工作环境。 碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小,能量密度越来越大,这也是为什么几乎全球的半导体巨头都在不断研发碳化硅器件的原因。根据 ROHM 的数据,一款 5kW 的 LLC DC/DC 转换器,其电源控制板由碳化硅替代硅基器件后,重量从 7kg 减少到 0.9kg,体积从 8755cc 降低到 1350cc。 碳化硅器件尺寸仅为同规格硅器件的 1/10,碳化硅 MOSFET 系统能量损失小于硅基 IGBT 的 1/4,这些优势也能够为终端产品带来显著的性能提升。根据 CREE 的数据,相同的电池下搭载了碳化硅 MOSFET 的电动车比使用硅基 IGBT 的电动车续航里程增加了 5%~10%。 ![]() 同规格碳化硅器件性能优于硅器件 碳化硅衬底依电阻率不同分为导电型和半绝缘型两类,分别外延沉积碳化硅和氮化镓后,用于功率器件和射频器件的制作。 1、 导电型衬底:具有低电阻率(15~30mΩ·cm)的碳化硅衬底。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层,制得碳化硅同质外延片,可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT 等功率器件。 2、 半绝缘型衬底:具有高电阻率(≥105Ω·cm)的碳化硅衬底。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层,制得碳化硅基氮化镓外延片,可进一步制成微波射频器件。 ![]() 碳化硅器件产业链 优异的性能使得碳化硅材料应用领域广阔,目前主流的器件种类为功率器件(碳化硅基碳化硅)和射频器件(碳化硅基氮化镓),可以说需要高压和高频器件的应用场景,都是碳化硅潜在替代的市场。尤其是对电力转换需求频繁、使用条件苛刻及对模块体积和重量等有要求的场景,碳化硅器件优势明显: 1、 功率器件(电力电子领域) 应用一:电动车逆变器及充电桩。电动车逆变器是碳化硅功率器件最为主要的市场,在相同功率下,碳化硅模块封装尺寸更小,损耗更低。在动力电池性能提升已经有限的情况下,碳化硅功率器件将成为提升电动车延长行驶里程、缩短充电时间及增大电池容量的重要手段。 国内外知名车企也在积极推动碳化硅器件的应用。特斯拉是全球第一家将碳化硅 MOSFET 应用于商用车主逆变器的厂商,Model 3 的主逆变器采用了意法半导体生产的 24 个碳化硅MOSFET 功率模块。随后国内厂商比亚迪也迅速跟进,在汉 EV 上搭载了自主研发的碳化硅功率模块。未来随着碳化硅材料成本的不断下降,未来将有更多车型使用碳化硅器件。碳化硅器件也可应用于新能源汽车 充电桩,可以减小充电桩体积,提高充电速度。 应用二:光伏逆变器。光伏发电系统中,硅基逆变器成本占系统的 10%,但却是系统能量损耗的主要来源。使用碳化硅 MOSFET 功率模块的光伏逆变器,转换效率可从 96%提升至 99%以上,能量损耗降低 50%以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。 应用三:轨道交通。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备,碳化硅器件的应用可以提高牵引变流器装置效率,提升系统整体效能。2014 年,日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A 全碳化硅功率模块逆变器,开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65%,电能损耗降低 20%至 36%。 ![]() 光伏逆变器中碳化硅渗透率有望在 2025 年达到 50% ![]() 轨道交通中碳化硅渗透率将在 2050 年达到 90% 碳化硅使功率器件突破了传统硅基器件性能的上限,未来具备广阔的市场空间。根据 Yole 报告,2019年全球碳化硅功率器件市场规模为 5.41 亿美元,预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元,年化复合增速约30%。 ![]() 2019-2025 年碳化硅功率器件市场规模将快速增长(单位:美元) 2、射频器件(军工及通讯领域) 射频器件是无线通信的核心部件,包括射频开关、LNA、功率放大器和滤波器等。其中功率放大器是对信号进行放大的器件,直接影响着基站信号传输距离及信号质量。硅基 LDMOS 器件已经应用多年,但主要应用于 4GHz 以下的低频领域。 5G 通讯高频、高速和高功率的特点对功率放大器性能也提出了更高的要求,碳化硅基氮化镓具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势,成为 5G 移动通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心射频器件,有望替代硅基 LDMOS。 根据 Yole 的预测,2025 年功率在 3W 以上的射频器件中,砷化镓器件市场份额保持不变,碳化硅基氮化镓将替代大部分硅基LDMOS,占市场 50%左右的份额。 ![]() 不同材料射频器件应用范围对比 ![]() 不同类型射频器件市场份额预测(功率 3W 以上) 根据 Yole 的报告,预计全球氮化镓射频器件市场规模将持续增长,预计从 2019 年的 7.4 亿美元增长至2025 年的 20 亿美元,年化复合增速达 18%。半绝缘型碳化硅衬底需求有望受益。 ![]() 2019-2025 年氮化镓射频器件市场规模将持续增长(单位:美元)
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