碳化硅半导体材料
第三代半导体性能优越，应用场景更广泛. 作为电子信息技术发展的基础, 半导体材料经历了几代的变革. 随着应用场景的更高要求, 第三代半导体材料, 以碳化硅、氮化镓为代表, 已逐步进入产业化加速释放阶段. 与前两代相比, 碳化硅具有耐高压等优越性能, 耐高温、低损耗, 并广泛用于制造高温, 高频, 高功率、抗辐射电子设备.
碳化硅 设备应用广泛. 由于其高导热性, 高击穿电场强度和高电流密度, 基于碳化硅材料的半导体器件可应用于汽车等众多工业领域, 充电设备, 便携式电源, 通讯设备, 机械臂, 和飞行器. 其应用范围越来越普及和深入, 有着非常广泛的应用前景, 非常有价值的材料.
碳化硅的优点分析
第三代半导体材料的禁带宽度远大于前两代. 第一代和第二代半导体都是窄带隙半导体, 而从第三代半导体, 宽带 (带隙大于2.2eV) 半导体材料开始大量使用. 碳化硅, 作为第三代半导体的典型代表, 有超过 200 空间结构, 不同的结构对应不同的带隙值, 一般在2.4eV到3.35eV之间. 除了宽带, 碳化硅材料还具有击穿场强高的优点, 高饱和漂移率和高稳定性, 和最大功率.
宽带: 提高材料稳定性和击穿场强
禁带宽度决定材料特性, 宽禁带以提高更好的性能. 宽带宽度是半导体性能的重要指标. 更宽的频带意味着更高的激励要求, IE。, 电子和空穴的形成更加困难, 这使得宽带隙半导体在不需要工作时仍能保持类似绝缘体的特性, 这也使它们更加稳定, 宽带也有助于提高击穿电场强度, 进而增强承受运行环境的能力, 正如体现在更好的耐热性和耐高压性, 耐辐射性.
宽带系统中导带和价带之间的高能量差降低了激发后电子和空穴的复合率, 这允许更多的电子和空穴用于导电或传热, 这也是碳化硅导热、导电性能更强的原因之一.
基于这些特点, 碳化硅器件可以在更高的强度下运行，并且能够更快地散热, 具有更高的极限工作温度. 耐高温特性可导致功率密度显着提高，同时降低对散热系统的要求, 允许更轻、更小的终端. 碳化硅的高禁带宽度还使得碳化硅器件的泄漏电流明显低于硅器件, 从而减少功率损耗; 碳化硅器件在关断过程中没有电流拖尾, 导致低开关损耗并显着提高实际应用的开关频率.
高击穿电压: 带来更大的工作范围和功率范围
击穿电压越高, 工作范围和功率范围越大. 击穿电压是指电介质击穿时的电压. 半导体用, 一旦达到击穿电压, 半导体由于其内部结构被破坏而失去介电性能而无法工作, 类似于导体. 所以, 更高的击穿电场意味着更大的工作范围和功率范围, IE。, 击穿场越高, 更好.
碳化硅器件更强大, 较小, 并具有较低的能量损失. 由于其击穿电压较高, 碳化硅可广泛用于制备大功率器件, 硅基半导体无法替代的优势. 碳化硅的击穿率更高，使得碳化硅功率器件具有更薄且掺杂更重的势垒层, 允许使用碳化硅材料使器件更薄，以满足相同的要求, 可以起到节省空间、提高单位能量密度的作用. 此外, 高击穿电场还使得碳化硅在外部电压下具有较低的导通电阻, 较低的导通电阻意味着较低的能量损耗.
高饱和漂移率: 更少的能量损失
碳化硅因其内部结构而具有较高的饱和漂移率. 理论上, 漂移速度可以随着外电场的增大而无限增大, 但在实践中, 随着施加电场的增加, 材料内部载流子之间的碰撞也增加, 所以存在饱和漂移速度. 对于碳化硅, 内部结构非常擅长缓冲碰撞, 因此它具有更高的饱和漂移率.
高饱和漂移率导致能量损失更少. 高饱和漂移率意味着更快的载流子迁移和更低的电阻. 这也导致碳化硅材料的能量损失大大降低. 与硅相比, 相同尺寸的基于碳化硅的 MOSFET 1/200 较低的导通电阻和 1/10 尺寸比硅基 MOSFET 更小, 而使用相同尺寸的碳化硅基 MOSFET 的逆变器则小于 1/4 与硅基 IGBT 相比的总能量损耗. 这些特点为 碳化硅的应用 光伏逆变器和高频设备中的材料.
碳化硅产业链
国外厂商多以IDM模式布局, 而国内企业则侧重于个别环节. 碳化硅产业链可分为: 基质, 外延, 设备, 和最终用途. 国外企业大多处于IDM模式, 比如狼速, 罗姆和意法半导体 (英石), 而国内企业专注于单一环节制造, 基板领域如天科合达、天悦先进, 外延领域的韩天天诚与东莞天电, 器件领域还有史带半岛、泰科天润.
衬底和外延占 70% 碳化硅器件的成本. 由于材料准备困难, 良率低、产能小, 当前产业链价值集中在衬底和外延部分, 前端部分占 47% 和 23% 碳化硅器件的成本, 而后端设计, 制造和包装部门仅占 30%.
碳化硅的下游用途
新能源汽车
新能源汽车领域将为SiC功率器件带来巨大增量. 在新能源汽车领域, SiC器件主要应用于主驱动逆变器, OBC (车载充电器), DC-DC车载电源转换器和大功率DCDC充电装置. 随着各大整车厂推出800V电压平台, 电机控制器的主驱动逆变器将不可避免地被SiC-MOS和硅基IGBT取代，以满足大电流和高电压的需求, 这将带来巨大的增长空间.
电机控制器中功率模块占 8% 车辆成本. 负责将动力电池输出的高压直流电转换为变频、变流的三相交流电, 为驱动电机供电, 改变电机的速度和扭矩, 能量回收时将电机发出的三相交流电整流成直流电给动力电池充电. 电源模块占 41% 其成本的, 或者 8% 车辆成本的.
使用碳化硅器件的好处包括:
1) 改进的加速度. 碳化硅器件的使用使得驱动电机能够在低速时承受更高的输入功率, 并且由于其高热性能, 不怕电流过大造成的热效应和功率损耗. 这使得驱动电机在车辆启动时能够提供更大的扭矩, 从而产生更大的加速度.
SiC 器件可通过减少开/关尺寸上的损耗来增加电动汽车的续航里程. 根据英飞凌的研究数据, SiC-MOS关断损耗约为 20% 25°C 结温下的 Si-IGBT, 和 10% 结温 175°C 的 Si-IGBT. 全面的, 新能源汽车使用SiC器件可增加续航里程 5-10%.
3) 轻量化. 得益于SiC的优越性能, SiC器件可以从以下几个方面减小尺寸: 1) 更小的封装尺寸, 2) 减少滤波器和变压器等无源元件, 电容器, 电感器, ETC。, 3) 较小的散热器尺寸, 和 4) 相同续航里程内电池容量较小. Rohm设计的SiC逆变器, 例如, 减小了主逆变器的尺寸 43% 和重量 6 kg（使用所有 SiC 模块）.
4) 降低系统成本. 现在, 碳化硅器件是 4-6 比硅基设备贵几倍, 但 SiC 器件的使用显着降低了电池成本并增加了续航里程, 这反过来又降低了车辆的总体成本. SiC-MOS驱动逆变器成本增加约 $75-$200, 但电池的成本节省, 无源元件, 冷却系统是 $525-$850, 系统成本显着降低. 对于相同的里程, SiC逆变器至少可以节省 $200 每辆车.
光伏逆变器
碳化硅功率器件可提高光伏逆变器转换效率，减少能量损耗. 在光伏发电方面, 基于硅基器件的传统逆变器目前约占 10% 系统成本的, 但却是系统能量损失的主要来源之一. 以SiC-MOS为基材, 光伏逆变器的转换效率可以从 96% 到超过 99%, 能量损失可减少超过 50%, 和设备循环寿命可以增加 50 次, 从而减小系统尺寸, 增加功率密度, 延长设备寿命, 并降低生产成本. 高效率, 高功率密度, 高可靠性、低成本是光伏逆变器的未来趋势. 碳化硅产品有望逐步取代组串式和集中式光伏逆变器中的硅基器件. 现在, 国内碳化硅光伏逆变器在光伏领域应用较少, 但全球已经有光伏逆变器公司在使用碳化硅光伏逆变器, 例如西班牙Ingeteam的TLM系列.
轨道交通
在轨道交通方面, 功率半导体器件广泛应用于轨道车辆, 包括牵引变流器, 辅助转换器, 主、辅变流器, 电力电子变压器, 和电源充电器. 他们之中, 牵引变流器是机车大功率交流输电系统的核心设备. 碳化硅器件在轨道交通牵引变流器中的应用可以极大地发挥高温, 碳化硅器件的高频低损耗特性, 提高牵引变流器装置的效率, 满足大容量需求, 轻量化、节能型轨道交通牵引变流装置, 并提高系统的整体效率.
智能电网
在智能电网中, 与其他电力电子装置相比, 电力系统需要更高的电压, 更高的功率容量和更高的可靠性. 直流输电, 高压直流输配电系统推动智能电网发展变革.
射频场
在射频设备中, 基于碳化硅衬底的GaN射频器件具有碳化硅的高导热率和GaN在高频段的高功率射频输出的优点, 并突破GaAs和硅基LDMOS器件的固有缺陷，满足5G通信对高频性能和大功率处理能力的要求. GaN基射频器件已成为5G功率放大器的主流技术路线, 特别适用于宏基站功放.
全球碳化硅衬底市场空间测算
碳化硅衬底对于碳化硅器件的制备至关重要，也是目前碳化硅器件中成本最高的部分. 这里, 我们估算了碳化硅衬底的全球市场空间和衬底需求 2021 到 2025 新能源汽车、光伏领域, 并以此为参考预测碳化硅衬底的总市场空间和衬底需求.
新能源汽车: 25 年需求量可能达到 3 百万件, 市场空间超过 10 亿元
对于新能源汽车市场预测, 我们对关键参数做出以下假设:
目前6英寸碳化硅均价为 1000 我们. 美元, 关于 6400 元 / 片, 由于未来6英寸上技术路线的发展以及进一步规模经济的形成, 预计碳化硅价格将呈现总体下调趋势, 针对具体的价格走势, 我们 2021-2025 基材价格下降有以下三种假设:
- 1) 10% 减少;
- 2) 15% 减少;
- 3) 20% 减少.
每辆车消耗的基材数量: 考虑未来价格下降将逐步增加碳化硅在新能源汽车上的应用, 基于当前模型 3 单车与 48 碳化硅MOSFET芯片, 单车使用6英寸基板数量约为 0.16 件, 然后逐渐成长为 0.4 件在 2025.
渗透率: 渗透率定义为采用SiC器件的新能源汽车销量占新能源汽车总销量的百分比. 14% 渗透率 2021 和 6% 预计渗透率增长 2021-2025.
结合上述数据和假设, 在里面 10%/15%/20% 预计降价, 新能源汽车领域碳化硅衬底市场或将达到 12.8/10.2/80 亿元, 相应的基板需求量将达到 3.04 百万件.
光伏领域: 25 年需求或超过 500,000 件, 的市场空间 2 亿元
全球新增装机容量: 碳化硅衬底在光伏行业主要应用于光伏逆变器, 全球装机容量达137GW 2020 预计今年将突破400GW 2025, 以400GW为参考. 2021 数据由阳光电力年报相关数据折算, 约156GW.
IGBT成本比: 根据招股书披露的数据, 硅基IGBT的成本比约为 10% 占光伏逆变器总成本的, 假设未来几年硅基IGBT的成本比将保持不变.
逆变器价格: 在 2021, 阳光电力光伏逆变器的材料基本都是硅基材料, 销量47GW，营业收入人民币 9.05 十亿, 因此硅基光伏逆变器的价格约为0.19元/W. 根据阳光电源逆变器价格变动数据 2017 到 2021, 年均价格下降约0.02元/W. 所以, 预计未来价格会逐步下降. 所以, 预计未来价格会逐步下降, 假设价格将以 0.02 元/W每年至 0.13 元/W.
碳化硅 / 硅价比: 目前碳化硅器件与硅基器件的性价比约为 4, 未来预计成本替代率将会降低, 下降的比例应该与价格变化呈正相关, 因此假设成本替代率逐年下降.
基材成本比: 当前底物比例为 46%, 并且该比率预计将以 3% 每年.
渗透率: 这里的渗透率是指碳化硅光伏逆变器占逆变器总量的百分比. 参考CASA数据, 渗透率是 10% 在 2021, 并预计将以 10% 每年. 经过 2025, 渗透率将达到 50%.
结合上述数据和假设, 下表显示市场空间将以复合年增长率增长 39% 需求将以复合年增长率增长 58%. 经过 2025, 市场空间将达到 2 亿元，基板需求将超 500,000 件.
总体市场估算
根据 Wolfspeed 投资者报告, 新能源汽车占比 + 光伏碳化硅市场总量为 77% 在 2021, 并预计达到 86% 在 2027. 所以, 这部分预测的市场份额是 77% 在 2021, 并预计达到 85% 在 2025, 基于一个 2% 年增长率. 根据以上数据, 全球碳化硅衬底市场总规模将从 1.9 亿元至 14.3 亿元人民币来自 2021 到 2025, 需求将会增长 300,000 件到 4.2 百万件.
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