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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，根據(jù)半導(dǎo)體材料的區(qū)別，將半導(dǎo)體分為三代：第一代半導(dǎo)體材料大部分為目前廣泛使用的高純度硅，第二代化合物半導(dǎo)體材料包括砷化鎵、磷化銦，第三代化合物半導(dǎo)體材料以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表。

而碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，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。

同時在新能源汽車、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。

方正證券呂卓陽、陳杭認(rèn)為，目前碳化硅受限于良率及技術(shù)影響，國內(nèi)供需仍存缺口，有效產(chǎn)能不足。未來幾年SiC上游材料端市場將深度受益于汽車電動化、電動汽車配套設(shè)備建設(shè)、5G基站及數(shù)據(jù)中心建設(shè)等下游應(yīng)用端需求增長，未來可期。

三代半導(dǎo)體的迭代與比較

第三代半導(dǎo)體以碳化硅、氮化鎵為代表，在高溫、高耐壓以及承受大電流等多個方面具備明顯的優(yōu)勢，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

第一二代半導(dǎo)體材料工藝已經(jīng)逐漸接近物理極限，摩爾定律逐漸失效。第三代則有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，與第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。

第三代半導(dǎo)體碳化硅相比于前兩代半導(dǎo)體材料，具備大禁帶寬度、大漂移速率、大熱導(dǎo)率、大擊穿場強(qiáng)等優(yōu)勢，從而能夠開發(fā)出更適應(yīng)高功率、高頻、高溫、高電壓等惡劣條件的功率半導(dǎo)體器件。

整體來看，碳化硅的耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍。與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開關(guān)管組成的模塊(全碳模塊)，不僅具有碳化硅材料本征特性優(yōu)勢，在應(yīng)用時還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上，從而降低綜合成本。

碳化硅材料應(yīng)用場景較為明確，根據(jù)電阻率不同，碳化硅晶片可分為導(dǎo)電型(15-30mΩcm)和半絕緣型(不低于10^5Ωcm)。其中，導(dǎo)電型碳化硅襯底(碳化硅外延)主要用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，目前已廣泛應(yīng)用于電子電力領(lǐng)域，如新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域，市場規(guī)模較大；半絕緣型碳化硅襯底 (氮化鎵外延)主要應(yīng)用于微波射頻器件等領(lǐng)域，例如5G通訊中的功率放大器和國防中的無線電探測器等，隨著5G通訊網(wǎng)絡(luò)的加速建設(shè)，市場需求提升較為明顯。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021-2025年碳化硅襯底行業(yè)深度市場調(diào)研及投資策略建議報告》顯示，2019年，全球碳化硅襯底材料市場規(guī)模約為1.8億美元。由于下游行業(yè)對功率器件、射頻器件的性能要求不斷提高，第三代半導(dǎo)體材料正在逐步取代前兩代產(chǎn)品，需求增長極為迅速，預(yù)計到2025年，全球碳化硅襯底材料市場規(guī)模將達(dá)到15.9億美元左右。

新能源車、光伏、軌道交通釋放功率器件需求，導(dǎo)電性襯底深度受益

2020年我國SiC導(dǎo)電型襯底產(chǎn)能約40萬片，器件26萬片。半絕緣型襯底產(chǎn)能近18萬片，GaN射頻器件以GaN-on-SiC為主，產(chǎn)能約16萬。產(chǎn)能在襯底、外延、器件環(huán)節(jié)均飛速增長。

新能源汽車市場碳化硅需求巨大

新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載DC/DC)和非車載充電樁。碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之間，工作頻率在10KHz-100MHz之間的場景，在新能源汽車中主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆發(fā)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。

其中，800V電壓平臺中碳化硅的使用是電驅(qū)升級的核心。碳化硅的耐高溫、低開關(guān)損耗、耐高壓、耐高頻等特點(diǎn)，使得碳化硅MOSFET成為電動汽車電壓平臺升級至800V的不二之選。同時，碳化硅器件的應(yīng)用并未增加單車成本。

光伏產(chǎn)業(yè)政策利好，持續(xù)釋放SiC需求

在光伏、風(fēng)力等發(fā)電系統(tǒng)中，逆發(fā)器將不同電壓等級的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動家用電器、照明等交流負(fù)載。

SiC逆發(fā)器為太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等各種可再生發(fā)電系統(tǒng)提供各種完美的電源變換和接入方案，也將催生SiC市場的增長。SiC的逆發(fā)器在節(jié)能、減小系統(tǒng)尺寸和壽命成本方面都優(yōu)于基于硅的設(shè)備。對于需要以盡可能少的功率損失成功利用風(fēng)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，這些性能指標(biāo)至關(guān)重要。

軌道交通：軌道交通大幅應(yīng)用，SiC優(yōu)勢盡顯

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

5G、國防驅(qū)動射頻市場穩(wěn)升，半絕緣型襯底快速發(fā)展

氮化鎵器件因其良好的導(dǎo)熱性能、高頻率、高功率等優(yōu)勢，正在取代LDMOS在通信弘基站、雷達(dá)及其他寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用，是迄今為止最為理想的微波射頻器件，因此成為4G/5G的移動通訊系統(tǒng)、新一代有源相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的核心微波射頻器件。

5G通訊和國防雙輪驅(qū)動射頻GaN市場

射頻GaN的應(yīng)用場景主要包括4G LTE和5G電信基礎(chǔ)設(shè)施、手機(jī)、國防、衛(wèi)星通信、射頻功率和民用雷達(dá)等。未來幾年，5G通訊和國防軍工將持續(xù)作為GaN射頻器件市場的主要驅(qū)動力，截止2026年這兩者在整個市場中所占份額將分別為41%和49%，衛(wèi)星通訊等新興領(lǐng)域也將帶來新機(jī)遇。

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)， GaN射頻器件市場總價值將從8.91億美元增加到24億美元以上，2020年到2026年的CAGR為18%。

移動衛(wèi)星通信或是GaN射頻市場的下一個驅(qū)動力

在射頻和微波通信領(lǐng)域，GaN的抗電離輻射能力使其成為衛(wèi)星通信的絕佳選擇。此外，GaN的高電子移動率使其能夠更好地放大衛(wèi)星頻段的功率，有利于衛(wèi)星通信上行。

目前移動衛(wèi)星通信已經(jīng)部署在固定衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中，由于嚴(yán)格的認(rèn)證周期， GaN在移動衛(wèi)星系統(tǒng)中的滲透率仍然有限，但從長遠(yuǎn)來看，移動衛(wèi)星通信可能是GaN射頻解決方案的下一個市場驅(qū)動力。

目前碳化硅產(chǎn)業(yè)下游需求旺盛，但上游材料端工藝和良率瓶頸亟待突破，產(chǎn)能不足現(xiàn)象嚴(yán)重制約碳化硅應(yīng)用起量。無論是上游還是下游，皆呈現(xiàn)“得材料者得天下”的態(tài)勢。
原標(biāo)題：“新能半導(dǎo)”大時代新核“芯”——一文讀懂碳化硅

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