近年来，随着5g、新能源等高频、大功率射频及电力电子器件需求快速增长，硅基半导体器件的物理瓶颈日益明显。产量快速增加、发热和成本正在成为半导体行业的关键题。在此趋势下，以碳化硅为代表的第三代半导体材料正逐步从科研走向产业化。取代某些硅基功率器件的趋势很明显。然而，该行业仍面临一些挑战和改进空间。未来，产业链的各个环节都必须优化和完善。
接下来我们将从半导体材料的发展历程入手，介绍第三代半导体材料碳化硅的优点，并对半导体器件进行分类。我们还将对碳化硅产业链的各个环节进行深入回顾，分析国内外发展现状，展望未来发展趋势。希望这些信息能够帮助大家了解碳化硅行业。
01
大纲
1.半导体材料开发流程
业界根据研究和大规模应用的时间顺序将半导体材料分为三代。
第一代半导体1950年后，硅等半导体材料取代了笨重的电子管，推动了以集成电路为核心的微电子工业的快速发展。硅材料具有间接带隙和窄带隙，适合低压、低频和中功率集成电路。光电子和高频大功率器件。
第二代半导体1990年以来出现了以砷化镓、磷化铟为代表的半导体材料。它们具有直接且相对较宽的带隙、更快的载波速率和更低的噪声。适合制作高速、高频、大功率、发光电子器件，但材料本身存在局限性，难以满足大功率、高电压、高功率的要求。频率。设备。
第三代半导体近年来，氮化镓、碳化硅等半导体材料受到广泛关注。碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料的代表，在禁带宽度、击穿电场、热导率、电子饱和率、抗辐射等关键参数上具有显着优势，满足现代工业的要求。由于大功率、高电压、高频的需求，主要用于制作高速、高频、大功率、发光的电子元件。
2、sic作为第三代半导体材料具有一定的优势。
作为第三代半导体材料，sic具有许多重要的优点耐高压sic材料的击穿场强比si材料高10倍以上，可以通过更低的电阻和更薄的漂移层实现更高的电阻。在相同耐压值下，sic功率模块的导通电阻/尺寸仅为si的1/10，功率损耗大大降低。耐高频sic材料无电流拖尾现象，可使元件的开关速度比硅提高310倍，适合更高的频率和更快的开关速度。耐高温sic材料具有带隙约为si的3倍、导热系数约为si的33倍、熔点约为si的2倍（2830）的特性。这使得sic器件能够显着提高工作温度，同时减少漏电流。
sic的不同晶体结构具有不同的性能，其中4h-sic综合性能最好。由于c和si原子的各种组合，sic具有200多种同象晶体结构。其中6h-sic结构稳定，发光性能优异，而3c-sic饱和度高。4h-sic具有高电子迁移率、低导通电阻和高电流密度，适合电力电子器件。4h-sic是目前综合性能最好、商业化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，是制造高压、高温、耐辐射功率半导体的理想材料。设备。
3.碳化硅器件的定义和分类
碳化硅器件的生产主要涉及三个主要环节衬底、外延、器件制造。根据其电阻特性的不同，分为导电碳化硅功率器件和半绝缘碳化硅基射频器件。
导电碳化硅功率器件
功率器件又称电力电子器件，是电力电子变换装置的关键部件。电力电子设备转换和控制电能。转换后的“电”功率可以高达数百兆瓦甚至千兆瓦，也可以为几瓦或小于1瓦。电力电子是实现电能优质高效转换、多种能源协调优化、弱电与强电间可控运行、交直流间能量交换、自动化高效控制等的重要手段。也是实现节能环保、提高电能的重要手段。这是利用效率的重要保证。
导电碳化硅功率器件主要是在导电衬底上生长碳化硅外延层，获得碳化硅外延片，然后进一步加工而成，类型包括肖特基二极管、mosfet、igbt等，主要应用于。它用于工业领域。电动汽车、太阳能、轨道交通、数据中心、充电等基础设施。目前，碳化硅二极管和mosfet已经开始商品化。
半绝缘碳化硅射频器件
射频器件在无线通信中起着信号转换的作用，是无线通信设备的基本部件，主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放大器、双工器等。
半绝缘碳化硅基射频器件是在半绝缘碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，得到碳化硅基氮化镓外延片，主要应用于hemt等氮化镓射频器件。5g通信、车辆通信、国防应用、数据传输、航空航天。碳化硅和氮化镓材料的饱和电子漂移率分别是硅的20和25倍，因此碳化硅和氮化镓器件的工作频率高于传统硅器件。但氮化镓材料存在耐热性差的缺点，而碳化硅则具有优异的耐热性和导热性，可以弥补氮化镓器件耐热性差的缺点。因此，业界多采用半绝缘碳化硅。它被用作衬底，通过在衬底上生长氮化镓外延层来制造高频器件。
02
行业现状及市场空间
1、全碳化硅器件市场格局以海外大公司为主。
由于先发优势，国外企业在技术进步和产能规模上具有一定的垄断性。数据显示，国外巨头意法半导体、wolfspeed、罗姆、英飞凌、三菱电机、安森美等厂商占据市场份额，其中最大的碳化硅器件厂商是意法半导体，为特斯拉汽车提供碳化硅器件。主要供应商的市场份额为40%，其中英飞凌的市场份额为22%。全top6占据95%以上的市场份额。
2、由于国外技术禁运，宽带隙半导体器件国产替代速度正在加快。
由于宽禁带半导体的军事用途，国外对中国实施技术禁运和封锁。随着国内sic产业的持续发展，实现关键技术的国产化和安全可控供应已刻不容缓。链。自主可控趋势加速了宽带隙半导体器件的国产替代进程，给宽带隙半导体产业带来了新的发展机遇。在宽禁带半导体领域，下游应用企业已经在调整供应链以支持国内企业。国内几家宽禁带半导体企业的上中游产品陆续获得下游用户的验证机会，进入几大厂商的供应链，并逐步开始以销促产的健康发展。
3、下游需求持续扩大，预计百亿市场空间。
未来，随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业、通信等领域渗透率的提升，碳化硅器件的市场规模有望持续扩大，新能源汽车、太阳能电池等领域的市场规模将持续扩大。有望成为重要领域。新能源汽车sic器件主要应用于pcu和obc。与si器件相比，sic器件可以减轻pcu设备的重量和体积，降低开关损耗，并在obc存在的情况下提高器件的工作温度和系统效率。充电使sic器件能够提高单位功率水平、简化电路结构、提高功率密度并提高充电速度。光伏应用sic材料具有低导通电阻、低栅电荷、低反向恢复电荷特性。设备寿命减少50倍以上，延长50倍以上。
新能源汽车将是未来最大的应用市场。全导电sic功率器件市场预计到2027年将达到63亿美元，2021年至2027年的复合年增长率（cagr）将达到34倍。新能源汽车导电sic功率器件市场预计2027年将达到50亿美元，占比79%。
全许多汽车公司已在各种车型中使用sic。2018年，特斯拉率先在model3中安装sic，此后蔚来、比亚迪、吉利、现代汽车等汽车制造商纷纷效仿，大规模引入碳化硅。从先发优势和model3来看，modely等重点车型颇受欢迎，一直是sic装机的主要参与者。随着比亚迪汉ev、蔚来es6、骊丽l9等热门车型的陆续发布，sic搭载能力进一步扩大。据cleantechnica统计，2023年1月至5月sic型号数量超过100万台。
从行业趋势来看，sic是趋势。特斯拉在2023年3月上旬的投资者大会上宣布将减少75%的sic使用量，引发人们对sic未来发展前景不明朗的测。然而，全汽车市场最近对sic表现出了务实的支持。全第四大汽车集团stellantis宣布与多家供应商签署了包括sic在内的半导体合作协议，总价值超过80亿元人民币。博格华纳投资超过72亿元人民币。安森美半导体的sic产品和瑞萨电子也与wolfspeed签署了为期10年的碳化硅晶圆供应合同。
第三代太阳能半导体功率器件市场前景广阔。太阳能电站的直流端电压等级正从1000v逐步提高到1500v，预计未来将提高到2000v。碳化硅功率器件的性能优势在高压环境下凸显。随着太阳能逆变器出货量快速增长以及碳化硅功率器件渗透率的提高，太阳能碳化硅功率器件市场预计将快速增长。据casa数据显示，2021年第三代功率半导体在中国太阳能领域的渗透率预计将突破13元，市场规模预计达到约478亿元，同比增长56位。去年期间。2026年，第三代光伏半导体市场规模将接近20亿元，5年cagr将超过30。
随着5g部署加速，半绝缘碳化硅器件市场预计将持续增长。半绝缘碳化硅器件主要应用于5g基站、卫星通信、雷达等方向。随着5g部署尤其是massivemimo技术的加速，半绝缘碳化硅基氮化镓器件的市场规模不断增长。我们计划继续扩张。根据yole数据，2020年封装氮化镓射频器件市场规模将达到约891亿美元，其中99%以上将采用碳化硅衬底，到2026年，这些器件的市场规模将增长到美国预计。2222亿美元，复合年增长率17。
03
相关政策
近年来，国家陆续出台政策文件大力支持产业发展，鼓励企业深化布局。国家不断公布支持第三代半导体发展的相关政策，而第三代半导体的发展在国务院《关于公布“十三五”国家科技创新规划的通知》中明确提出。2016年7月。是的。2019年11月，工信部宣布研制第三代半导体芯片，2019年12月，半导体产品被纳入《首批应用核心新材料就业指南》。为鼓励企业积极发展集成电路，2020年7月的《长三角区域一体化发展规划纲要》明确要求加快培育和布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展。之后，国家于2021年3月免征相关企业税，并于2021年8月专门提出发展第三代半导体，工信部计划将半导体纳入“十四五”规划。产业科技创新“十二五”发展规划。
04
产业链分析
从工艺流程来看，碳化硅粉末首先通过晶体生长形成晶锭，然后切片、研磨、抛光得到碳化硅衬底。对衬底进行外延生长以获得外延晶片。晶圆经过光刻、蚀刻和电离。植入、沉积和其他步骤用于制造该器件。
目前，sicmosfet的应用因其高成本而受到。据中科院数据显示，同级别sicmosfet的价格是硅基igbt的四倍。碳化硅衬底和外延成本分别占整个器件的47%和23%，总计约为70%。后续的器件设计、制造、封装和测试环节仅占30%。
深圳有多家半导体材料企业，如
深圳市基础半导体有限公司是一家专注于碳化硅功率器件研发及产业化的专业公司。
无锡新清洁能源股份有限公司是中国领先的大功率半导体器件供应商之一。
深圳市深爱半导体有限公司是深圳唯一一家拥有前处理和后处理生产线的功率半导体器件制造商。
歌尔声学股份有限公司是中国电声行业的领导者。
美新半导体有限公司是美国memsic公司投资设立的公司，是全最大的mems器件供应商之一。
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