2022年半导体碳化硅行业市场现状及产业链分析.docx

2022年半导体碳化硅行业市场现状及产业链分析1、碳化硅(SiC):新一代半导体材料，打开新能源车百亿市场空间1.1碳化硅半导体材料第三代半导体性能优越，应用场景更广。半导体材料作为电子信息技术发展的基础，经历了数代的更迭。随着应用场景提出更高的要求，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料逐渐进入产业化加速放量阶段。相较于前两代材料，碳化硅具有耐高压、耐高温、低损耗等优越性能，广泛应用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件。碳化硅器件应用场景广阔。因其高热导性、高击穿电场强度及高电流密度，基于碳化硅材料的半导体器件可应用于汽车、充电设备、便携式电源、通信设备、机械臂、飞行器等多个工业领域。其应用的范围也在不断地普及和深化，是一种应用前景非常广泛、非常具有价值的材料。1.2碳化硅的优势分析第三代半导体材料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，而从第三代半导体开始，宽禁带(带隙大于2.2eV)半导体材料开始被大量应用。碳化硅作为第三代半导体的典型代表，具有200多种空间结构，不同的结构对应着不同的带隙值，一般在2.4eV-3.35eV之间。碳化硅材料除宽禁带之外，还具有高击穿场强、高饱和漂移速度及高稳定性、最大功率等优点。1.2.1宽禁带:提高材料稳定性和击穿电场强度禁带宽度决定材料特性，宽禁带提高更好性能。禁带宽度是衡量半导体性能的一个重要指标，更宽的禁带意味着更高的激发要求，即电子和空穴更难以形成，这也导致了宽带隙半导体在不需要工作时可以保持类似绝缘体的特性，这也使得其具有更好的稳定性，宽禁带同时也有助于提高击穿电场强度，进而增强对工作环境的承受能力，具体体现在具有更好的耐热性和耐高电压性、抗辐射性。同时因宽禁带体系中导带与价带间的高能量差，使得电子与空穴被激发后的复合率大大降低，这就使得更多的电子和空穴可以用于导电或者传热，这也是碳化硅具有更强的导热性与导电能力的一个原因。基于这些特点，碳化硅器件可以在更高强度的环境下进行工作，也能够更快速地进行散热，极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。碳化硅的高禁带宽度也使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗;碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。1.2.2高击穿电压:带来更大的工作区间及功率范围击穿电压越高，工作区间及功率范围越大。击穿电压指的是使电介质击穿的电压。对于半导体来说，一旦电压到达了击穿电压就意味着半导体失去了其介电性能，因内部结构被破坏而呈现出类似与导体的性能，进而无法工作。所以更高的击穿电场意味着更大的工作区间及功率范围，即击穿电场越高越好。碳化硅器件功率更大、体积更小，能量损失更低。碳化硅材料因其更高的击穿电压特性，可以广泛地应用于大功率器件的制备，这是硅基半导体所无法替代的优势。碳化硅更高的电击穿允许碳化硅功率器件具有更薄更重掺杂的阻挡层，这使得同等要求下使用碳化硅材料可以将器件做的更薄，这可以起到节省空间、提高单位能量密度的作用。此外，高击穿电场还可以使得碳化硅在外电压中的导通电阻更小，而更小的导通电阻意味着更低的能量损失。1.2.3高饱和漂移速度:能量损耗更小碳化硅因其内部结构，具有更高的饱和漂移速度。漂移速度反应的是载流子在外电压下的迁移速度，理论上讲漂移速度是可以随着外界电场的增加而无限提高的，但实际上随着外加电场的增加，材料内部载流子之间的碰撞也会随之增加，所以会存在一个饱和的漂移速度。在碳化硅材料中，其内部结构具有很好的缓冲碰撞的能力，所以具有更高的饱和漂移速度。高饱和漂移速度带来更小的能量损耗。高饱和漂移速度意味着载流子能更快地迁移，以及更低的电阻。这也使得碳化硅材料中的能量损耗大大减小。与硅相比，相同规格的碳化硅基MOSFET和硅基MOSFET相比，导通电阻降低为1/200，尺寸减小为1/10;相同规格的使用碳化硅基MOSFET和使用硅基IGBT的逆变器相比，总能量损失小于1/4。这些特点为碳化硅材料在光伏逆变器、高频器件中的应用提供了有力的支撑。2.碳化硅产业链国外厂商多以IDM模式布局，国内企业专注单个环节。碳化硅产业链依次可分为:衬底、外延、器件、终端应用。国外企业多以IDM模式布局全产业链，如Wolfspeed、Rohm及意法半导体(ST)，而国内企业则专注于单个环节制造，如衬底领域的天科合达、天岳先进，外延领域的瀚天天成、东莞天域，器件领域的斯达半岛、泰科天润。衬底与外延占据70%的碳化硅器件成本。受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前产业链的价值集中于衬底和外延部分，前端两部分占碳化硅器件成本的47%、23%，而后端的设计、制造、封测环节仅占30%。2.1衬底:行业呈现一超