三代半导体碳化硅科普贴-韭研公社

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三代半导体碳化硅科普贴

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2022-07-24 12:18:56

主要讲三个方面，一是以SIC和GAN为代表的第三代半导体相对于第一代、第二代在物理性能上的优势，据此理解为什么在高压高频领域第三代半导体会被认为是确定性的发展趋势；二是下游应用领域以及市场空间；三是产业链和重点公司。

一、第三代半导体物理特性

第三代半导体一般指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料，也称为宽禁带半导体材料。所以顾名思义，禁带宽度也是它与第一代、第二代半导体区分的最重要的指标。

禁带宽度虽然叫宽度，但实际是一个能量指标，简单理解就是某种材料从绝缘状态变成导电状态所需要的能量，所以导体禁带宽度较小，绝缘体禁带宽带较大。禁带宽度为零的是金属，禁带宽度很大（一般大于4.5 eV）的是绝缘体，禁带宽度居中的是半导体。半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关，为了帮助理解，拿最简单的半导体器件二极管来说明。

二极管实际就是一个PN结，具有“正向导通、反向截止”的特性，数字电路里“导通赋值为1，截止赋值为0”实现数字运算，模拟电路里利用这种开关功能对电力进行滤波、整流。但是“正向导通、反向截止”的特性只能在材料禁带宽度以内才能实现，如果外部施加高压高功率超过材料本身的禁带宽度，半导体就会被击穿变成导体，特性就会消失。

硅基二极管由于禁带宽带较小，在高压高功率的环境下就容易被击穿导致器件失效，解决方法有两个：其一是加厚PN结，但是带来的结果一是器件体积和质量变大，二是随之带来的导通电阻和功耗变大，这就与目前器件微型化节能化的趋势不符；其二是换成宽禁带材料，也就是第三代化合物半导体，它的禁带宽度比较大，更耐高压高功率并且器件还能做到更加微型化、导通损耗更低。

同样的道理在Mosfet和IGBT上也是一样的，SIC Mosfet相比硅基Mosfet，尺寸只有1/10，导通电阻是1/200；相比于硅基IGBT，能量损耗只有1/4.

总结来讲，第三代化合物半导体的物理特性决定了它在高压高功率环境下有更好的性能表现，而不管是电动汽车还是光伏风电等新能源相关器件都是置于高压高功率的环境下，所以当前的下游应用大大驱动了第三代化合物半导体的加速渗透。

二、下游应用领域及市场空间

SIC偏向高压，主要应用在电动汽车（600V以上，逆变器、OBC、DC/DC）、光伏储能逆变器、充电桩等。

GAN偏向高频，光电、射频（5G基站和军事雷达、激光器）、消费快充和汽车电子（混动汽车）等。

Yole预测，碳化硅器件市场空间将从2020年的6亿美金快速增长至2030年的100亿美金，未来10年复合增速接近50%。

三、产业链和重点公司

SIC、GAN器件和硅基器件的产业链环节是完全一样的，都是衬底上长外延片，然后在外延片上做器件模块。但是在具体环节上实现路径还是有所不同，目前最大的差距体现在衬底环节。
SIC衬底制备难度高、价格贵，硅基器件衬底成本占比15%，SIC、GAN器件衬底成本占比50%。总的来讲，衬底成本受制于良率、尺寸、制造效率、制造规模四个因素，具体展开汇总在下表里，感兴趣的可以看一下。
受益下游需求拉动，近几年来上述四个方面在迅速改善，SIC器件的价格下降明显，根据CASA的跟踪，目前SIC器件较2017年下降了50%以上，主流产品与Si器件的价差也在持续缩小，已经基本达到4倍以内，部分产品已经缩小至2倍。

虽然目前SIC器件价格比硅基器件仍然贵不少，但由于其优秀的物理性能，SIC综合性价比已经大于传统硅基材料。以SIC材料在新能源电动汽车上的应用为例，在考虑成本的时候，除了器件本身的成本，还要考虑因为性能提高而带来的车辆总成本的下降。具体来说，采用SIC技术后，开关频率可以设计得更高，从而能提高器件能效，减小无源器件的尺寸，并缩减模块的整体规格。此外，SIC解决方案所带来的高能效也可以降低动力电池冷却系统的尺寸。以上这些，在电动车总成本中有很高的占比。综合下来，与传统硅基解决方案相比，SIC解决方案可使整车成本节省近2000美元，基本可以覆盖SIC器件的成本增加。

所以目前下游需求端没有问题，相当一部分终端客户采用的意愿都非常积极（2018年特斯拉的主逆变器开始采用SIC MOSFET方案，随后采埃孚、博世等多家零部件制造商，雷诺、丰田、比亚迪等汽车生产商都宣布在其部分产品中采用SIC MOSFET方案，汽车领域成为SIC功率器件市场快速发展的首要驱动力），主要问题还是在供给端，产能开不出来，处于供不应求的状态。

而产能的瓶颈一是在衬底生产，仅从国内来看，上市公司中目前有产能的只有露笑科技、三安光电山东天岳,天科合达;二是在器件制造，SIC二极管已经比较成熟，能生产的厂家比较多，扬杰科技，新洁能，华润微都有相关技术储备，但缺货严重的SIC MOSFET目前国内能量产的还很少，产品正在下游客户进行验证;三代半导体设备铲子股端主要也是老牌的半导体设备厂北方华创 S北方华创(sz002371)S S露笑科技(sz002617)S S天岳先进(sh688234)S S比亚迪(sz002594)S S三安光电(sh600703)S

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