第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展加速：碳化硅晶片下游應(yīng)用市場預(yù)測分析（圖）

中商情報網(wǎng)訊：半導(dǎo)體襯底材料包括硅材料和砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體材料。硅是目前技術(shù)最成熟、使用范圍最廣、市場占比最大的襯底材料，近年來隨著材料制備技術(shù)與下游應(yīng)用市場的成熟，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體襯底材料市場規(guī)模持續(xù)擴大。

一、第三代半導(dǎo)體襯底材料概況

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場強度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、5G基站、衛(wèi)星等新興領(lǐng)域的理想材料。

具體對比情況如下圖所示：

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

二、碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)鏈

第三代半導(dǎo)體材料中，受技術(shù)與工藝水平限制，氮化鎵材料作為襯底實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，其應(yīng)用主要是以藍寶石、硅晶片或碳化硅晶片為襯底，通過外延生長氮化鎵以制造氮化鎵器件。相比而言，近年來碳化硅晶片作為襯底材料的應(yīng)用逐步成熟并進入產(chǎn)業(yè)化階段，以碳化硅晶片為襯底的下游產(chǎn)業(yè)鏈圖示如下：

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

以碳化硅晶片為襯底，通常使用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中，在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進一步制成功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進一步制成微波射頻器件，應(yīng)用于5G通訊、雷達等領(lǐng)域。

三、碳化硅晶片下游應(yīng)用分析

1.功率器件

現(xiàn)有的功率器件大多基于硅半導(dǎo)體材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐漸接近極限，難以滿足迅速增長和變化的電能應(yīng)用新需求。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。

經(jīng)過近30年研究和開發(fā)，碳化硅襯底和功率器件制造技術(shù)在近年逐步成熟，并快速推廣應(yīng)用，正在掀起一場節(jié)能減排和新能源領(lǐng)域的巨大變革。碳化硅功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域如下圖所示：

資料來源：Yole Development

根據(jù)IC Insights《2019 年光電子、傳感器、分立器件市場分析與預(yù)測報告》， 2018 年全球功率器件的銷售額增長率為14%，達到163億美元。未來，隨著碳化硅和氮化鎵功率器件的加速發(fā)展，全球功率器件的銷售額預(yù)計將持續(xù)保持增長。預(yù)計2018 至2023 年期間，全球功率器件的銷售額復(fù)合年增長率達到 3.3%，2023 年全球功率器件收入將達到 192 億美元。

根據(jù) IHS Markit 數(shù)據(jù)，2018 年碳化硅功率器件市場規(guī)模約3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動，以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動，預(yù)計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過100億美元，碳化硅襯底的市場需求也將大幅增長。

數(shù)據(jù)來源：IHS Markit

2.新能源汽車

碳化硅功率器件應(yīng)用于電機驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度。碳化硅器件應(yīng)用于車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠有效降低開關(guān)損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。

3.光伏發(fā)電

在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅MOSFET 或碳化硅MOSFET 與碳化硅SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計會逐漸替代硅基器件。預(yù)計2025年全球光伏逆變器中碳化硅功率器件占比將達50%。

數(shù)據(jù)來源：CASA、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

4.軌道交通

牽引變流器是機車大功率交流傳動系統(tǒng)的核心裝備，將碳化硅器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，能極大發(fā)揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節(jié)能型牽引變流裝置的應(yīng)用需求，提升系統(tǒng)的整體效能。

 預(yù)計2030年全球軌道交通中硅基IGBT器件占比達70%，混合碳化硅器件占比達17%，全碳化硅器件占比達5%，碳化硅分立器件占比達8%。并預(yù)計于2050年，全碳化硅器件快速發(fā)展，占比將增至40%。

數(shù)據(jù)來源：CASA、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

5.射頻器件

5G 通訊高頻、高速、高功率的特點對功率放大器的高頻、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，突破了砷化鎵和硅基LDMOS 器件的固有缺陷，能夠滿足5G 通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。

數(shù)據(jù)來源：Analog Dialogue

隨著全球 5G 通訊技術(shù)的發(fā)展和推廣，5G 基站建設(shè)將為射頻器件帶來新的增長動力。據(jù)Yole Development 預(yù)測，2025 年全球射頻器件市場將超過250 億美元，其中射頻功率放大器市場規(guī)模將從2018 年的60 億美元增長到2025 年的104 億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率將持續(xù)提高。隨著 5G市場對碳化硅基氮化鎵器件需求的增長，半絕緣型碳化硅晶片的需求量也將大幅增長。

數(shù)據(jù)來源：Yole Development