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第三代半导体材料之碳化硅应用现状及前景分析

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-09-22 14:07

近年来,以碳化硅为代表的第三代半导体材料在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势,进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能,具体如下:

资料来源:中商产业研究院整理

正是由于碳化硅器件具备的上述优越性能,可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一。

第三代半导体材料中,受技术与工艺水平限制,氮化镓材料作为衬底实现规模化应用仍面临挑战,其应用主要是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片为衬底,通过外延生长氮化镓以制造氮化镓器件。相比而言,近年来碳化硅晶片作为衬底材料的应用逐步成熟并进入产业化阶段,以碳化硅晶片为衬底的下游产业链图示如下:

资料来源:中商产业研究院整理

近年来碳化硅晶片作为衬底材料的应用逐步成熟并进入产业化阶段,以碳化硅晶片为衬底,通常使用化学气相沉积(CVD)方法,在晶片上淀积一层单晶形成外延片。其中,在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片,可进一步制成功率器件,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;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(GaN-on-SiC)外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通讯、雷达等领域。

碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。可广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域,在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。

(一)功率器件

碳化硅功率器件被广泛应用于新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等,光伏、风电等领域。受益新能源汽车的放量,碳化硅功率器件市场将快速增长。根据Yole数据,2018年和2024年碳化硅功率器件市场规模分别约4亿和50亿美元,复合增速约51%,按照该复合增速,2027年碳化硅功率器件市场规模约172亿美元。

碳化硅材料市场规模预测

资料来源:Cree官网、光大证券

功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心,功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制,管理着全球超过50%的电能资源,广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面,是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求,在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。

资料来源:Yole Developmen

1、碳化硅功率器件在电动车领域应用

碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间,工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用,如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域,可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT。

资料来源:国泰君安、中商产业研究院整理

2、碳化硅功率器件在光伏领域应用

根据天科合达招股书显示,在光伏发电应用中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右,却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的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。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中,碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。

数据来源:CASA、中商产业研究院整理

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3、碳化硅功率器件在轨道交通应用

轨道交通车辆呈现多样化发展,从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车,其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。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,将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器,能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性,提高牵引变流器装置效率,符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求,提升系统的整体效能。2012年,包含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线37列车辆中商业化应用,实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却单元的小型化;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%。

数据来源:CASA、天科合达招股书

(二)射频器件

微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件,是无线通讯的核心,主要包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等器件,其中,功率放大器是放大射频信号的器件,直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。5G通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势,突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷,能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求,碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

随着全球5G通讯技术的发展和推广,5G基站建设将为射频器件带来新的增长动力。据YoleDevelopment预测,2025年全球射频器件市场将超过250亿美元,其中射频功率放大器市场规模将从2018年的60亿美元增长到2025年的104亿美元,而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着5G市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长,半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。

数据来源:Yole Development、天科合达招股书

中商产业研究院特整理第三代半导体材料碳化硅概念股相关企业名单如下:

资料来源:中商产业研究院整理