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碳化硅,第三代半导体时代的中国机会

Silicon carbide, China's opportunity in the third-generation semiconductor era

作者:本站  来源:本站原创  浏览:45  发布时间:2022-09-20

碳化硅,第三代半导体核心材料,在射频器件、功率器件、新能源汽车等重要领域都有应用场景,市场空间高达百亿。

01 什么是第三代半导体?


半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

第一代半导体材料主要是指硅( Si )、锗元素( Ge )半导体材料,应用极为普遍,包括集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天等;

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓( GaAs )、锑化铟( InSb ),主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件( LED ),是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料;



第三代半导体是以碳化硅以及氮化镓为代表,可应用在更高阶的高压功率元件以及高频通讯元件领域。主要应用:高温、高频、抗辐射、大功率器件。

与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,因此,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,适用于高电压、高频率场景,此外,还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力。



随着技术突破和成本的下降, SiC 器件预计在不远的将来会大规模的应用于各个领域。根据数据,2018 年和 2021 年碳化硅功率器件市场规模分别约 4 亿和 9.3 亿美元,复合增速约 32.4% ,按照该复合增速,中商产业研究院预计 2022 年碳化硅功率器件市场规模约 10.9 亿美元。受益于 5G 通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展,碳化硅器件市场规模增速可观。

目前 SiC 晶片市场主要由美、欧、日主导,美、欧、日厂商在全球碳化硅产业中较为领先,其中美国厂商占据主导地位。

03 碳化硅产业链

近年来,以碳化硅晶片作为衬底材料的技术逐渐成熟并开始规模生产及应用。 SiC 生产过程主要包括碳化硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是碳化硅产业链三大环节:上游衬底,中游外延片和下游器件制造。



碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。碳化硅晶片作为半导体衬底材料,长晶难度大,技术壁垒高,毛利率可达 50% 左右。已经过外延生长、器件制造等环节,可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件。晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大。碳化硅中游外延常用 PECVD 法制造。碳化硅下游器件的制造效率越高、单位成本越低。

04 碳化硅应用场景

1.射频器件:射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件,如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件具有热导率高、高频率、高功率等优点,相较于传统的硅基 LDMOS 器件,其可以更好地适应 5G 通信基站、雷达应用等领域低能耗、高效率要求。

2.功率器件:又称电力电子器件,主要应用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。碳化硅基碳化硅器件在 1000V 以上的中高压领域有深远影响,主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

3.新能源汽车:电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件有电机驱动系统、车载充电系统( On-board charger,OBC )、车载 DC/DC 及非车载充电桩。其中,电动车逆变器市场碳化硅功率器件应用最多,碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。特斯拉、比亚迪、丰田等都开始采用碳化硅器件。



4.光伏发电:目前,光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。根据中商情报网数据,使用碳化硅功率器件可使转换效率从 96% 提高至 99% 以上,能量损耗降低 50% 以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而带来成本低、效能高的好处。

5.智能电网:国家大力发展新基建,特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。相比其他电力电子装置,电力系统要求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性,碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性,并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势。

6.轨道交通:轨道交通对其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等装置。

7.射频通信:碳化硅基氮化镓射频器件同时具备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,能满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求。

05 精密碳化硅陶瓷在半导体

制造装备领域中的应用

半导体装备制造业是为我国集成电路和半导体器件行业提供工艺装备的战略性产业,在集成电路产业中,制造装备具有极其重要的战略地位。以光刻机为代表的集成电路核心装备是现代技术高度集成的产物,对精密结构件也提出了极高的要求。

在集成电路核心装备中,关键零部件具有举足轻重的作用,要求结构件材料具有高纯度、高致密度、高强度、高弹性模量、高导热系数及低热膨胀系数等特点,且结构件要具有极高的尺寸精度和结构复杂性。针对这一系列的性能要求,陶瓷材料足以胜任。



在众多陶瓷材料中,碳化硅(SiC)是一种性能优异的结构陶瓷材料,具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数,不易产生弯曲应力变形和热应变,并且具有极佳的可抛光性,可以通过机械加工至优良的镜面,因此采用碳化硅作为光刻机等半导体制造关键装备用精密结构件材料具有极大的优势。

为响应国家发展半导体高端装备制造业的号召,解决卡脖子问题,深圳市克洛诺斯科技成立了鲲鹏高端装备研究院,集中开展精密电子制造技术与装备领域的应用基础研究和高端电子制造装备的核心技术攻关与关键零部件技术研发。




未来,随着5G,物联网、大数据、人工智能以及汽车电子等新技术和新产品的应用,将带来庞大的半导体装备市场需求。

转自:碳化硅,第三代半导体时代的中国机会 (baidu.com)