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以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新機遇
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2022-09-14

碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點，具有開關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢，可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積。

目前，碳化硅半導(dǎo)體主要應(yīng)用于以5G通信、國防軍工、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場前景。

同時，我國“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點支持領(lǐng)域，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實施，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求的戰(zhàn)略性行業(yè)。

全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體行業(yè)目前總體處于發(fā)展初期階段，相比硅和砷化鎵等半導(dǎo)體而言，在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域我國和國際巨頭公司之間的整體技術(shù)差距相對較小。另外，由于寬禁帶半導(dǎo)體的下游工藝制程具有更高的包容性和寬容度，下游制造環(huán)節(jié)對設(shè)備的要求相對較低，投資額相對較小，制約寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵之一在上游材料端。因此，我國若能在寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)上游襯底材料行業(yè)實現(xiàn)突破，將有望在半導(dǎo)體行業(yè)實現(xiàn)換道超車。

以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應(yīng)用市場。在碳化硅襯底上，主要使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）在襯底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，進(jìn)一步制成器件。

碳化硅襯底的下游產(chǎn)業(yè)鏈如下：

（1）碳化硅襯底的發(fā)展概況

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，用于氮化鎵外延的半絕緣型碳化硅襯底市場規(guī)模取得較快增長，全球市場規(guī)模由2019年的1.54億美元增長至2020年1.82億美元，增幅達(dá)17.88%。根據(jù)Yole預(yù)計，得益于5G基站建設(shè)和雷達(dá)下游市場的大量需求，至2023年，半絕緣型碳化硅襯底市場將保持快速增長。

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模取得較快增長，2018年至2020年，全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場規(guī)模從1.73億美元增長至2.76億美元，復(fù)合增長率為26.36%。根據(jù)Yole預(yù)計，受益于碳化硅功率器件在電動汽車等下游應(yīng)用的增長，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場未來將快速發(fā)展。

（2）碳化硅基第三代半導(dǎo)體器件及下游的發(fā)展概況

①碳化硅基氮化鎵射頻器件及應(yīng)用情況

碳化硅基氮化鎵射頻器件已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，以無線通信基礎(chǔ)設(shè)施和國防應(yīng)用為主。無線通信基礎(chǔ)設(shè)施方面，5G具有大容量、低時延、低功耗、高可靠性等特點，要求射頻器件擁有更高的線性和更高的效率。相比砷化鎵和硅基LDMOS射頻器件，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具有碳化硅良好的導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能，成為5G基站功率放大器的主流選擇。在國防軍工領(lǐng)域，碳化硅基氮化鎵射頻器件已經(jīng)代替了大部分砷化鎵和部分硅基LDMOS器件，占據(jù)了大部分市場。對于需要高頻高輸出的衛(wèi)星通信應(yīng)用，氮化鎵器件也有望逐步取代砷化鎵的解決方案。

根據(jù)Yole報告，隨著通信基礎(chǔ)建設(shè)和軍事應(yīng)用的需求發(fā)展，全球氮化鎵射頻器件市場規(guī)模將持續(xù)增長，預(yù)計從2019年的7.4億美元增長至2025年的20億美元，期間年均復(fù)合增長率達(dá)到18%。半絕緣型碳化硅襯底的需求量有望因此獲益而持續(xù)增長。

②碳化硅功率器件及應(yīng)用情況

功率器件又被稱為電力電子器件，是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件。功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、場效管、IGBT等。

碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優(yōu)勢，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。

根據(jù)Yole報告，2019年碳化硅功率器件的市場規(guī)模為5.41億美元，受益于電動汽車/充電樁、光伏新能源等市場需求驅(qū)動，預(yù)計2025年將增長至25.62億美元，復(fù)合年增長率約30%。碳化硅襯底的需求有望因此獲益并取得快速增長。