半导体材料有哪些特性(单晶硅是半导体材料吗)

碳化硅具有耐高压、耐高温、耐高频、抗辐射等优异的电学性能。它突破了硅基半导体材料的物理限制，是第三代半导体核心材料。碳化硅材料主要可制成碳化硅基氮化镓射频器件和碳化硅功率器件。受益于5G通信、国防军工、新能源汽车、新能源光伏的发展，碳化硅需求大幅增长。

本期智能内参推荐安信证券《市场空巨大，SiC国产化趋势加速》报告，从SiC的市场前景、行业参与者、发展趋势等方面分析SiC的国产化趋势。

来源:中信建投

原标题:

市场空巨大，SiC国产化趋势加速。

作者:马良

一、性能突出的宽带隙半导体核心材料

第一代半导体主要包括硅和锗。硅因其自然储量大、制备工艺简单，成为制造半导体产品的主要原料，广泛应用于集成电路等低压、低频、低功耗场景。然而，第一代半导体材料难以满足大功率高频器件的要求。

砷化镓(GaAs)是第二代半导体材料的代表，其高电子迁移率使其应用于光电子学和微电子学领域。它是制造半导体发光二极管和通讯器件的核心材料。但砷化镓禁带宽度小，击穿电场低，毒性大，无法在高温、高频、大功率器件领域推广。

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表。与前两代半导体材料相比，最大的优势是更宽的带隙，这保证了它可以突破更高的电场强度。适用于制备高压高频功率器件，是电动汽车、5G基站、卫星等新兴领域的理想材料。

三代半导体材料指标参数的比较

SiC具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子饱和率等物理特性，使其具有耐高温、耐高压、耐高频、高功率、抗辐射等优点，并能降低下游产品能耗和终端体积。碳化硅的禁带宽度约为3.2eV，硅的宽带宽为1.12eV，约为碳化硅禁带宽度的1/3，说明碳化硅的耐高压性能明显优于硅。

此外，碳化硅的热导率远高于其他材料，使碳化硅器件可以在更高的温度下工作，其工作温度高达600℃，而硅器件的极限温度只有300℃。另一方面，高导热率有助于器件快速冷却，便于下游企业简化器件终端的冷却系统，使器件更轻。根据CREE的数据，同样规格的碳化硅基MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10。

同时，碳化硅具有较高的能量转换效率，不会随着频率的增加而降低。碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的10倍，同样规格的碳化硅基MOSFET的总能量损耗只有硅基IGBT的30%。碳化硅将在高温、高频、高频领域逐步取代硅，在5G通信、航空空航天、新能源汽车、智能电网等领域发挥重要作用。

碳化硅的产业链可以分为三个环节:碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造和下游应用市场。通常用物理气相传输(PVT)法制备碳化硅单晶，然后用化学气相沉积(CVD)法在衬底上生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的产业链中，主要价值集中在上游的碳化硅衬底(约占50%)。

碳化硅衬底产业链

碳化硅衬底按电阻率划分:半绝缘碳化硅衬底:指电阻率高于105ω·cm的碳化硅衬底，主要用于制造氮化镓微波射频器件。微波器件是无线通信领域的基本元件。中国大力发展5G技术，推动碳化硅衬底需求释放。

导电碳化硅衬底:指电阻率为15 ~ 30mω·cm的碳化硅衬底。由导电碳化硅衬底生长的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，是电力电子转换器件的核心器件，广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。汽车电气化的趋势有利于碳化硅的发展。

碳化硅的应用场景根据产品类型分为:

1.射频器件:射频器件是无线通信领域中负责信号转换的元器件，如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。碳化硅氮化镓射频器件具有高导热、高频、高功率的优点。与传统硅LDMOS器件相比，更能满足5G通信基站、雷达应用等领域的低能耗、高效率要求。

2.功率器件:又称电力电子器件，主要用于电力设备中的大功率电子器件，如功率二极管、功率晶体管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1000V以上的中高压领域影响深远，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:涉及功率半导体应用的电动汽车系统部件包括电机驱动系统、车载充电器(OBC)、车载DC/DC和车外充电桩。其中，碳化硅功率器件广泛应用于电动汽车逆变器市场，碳化硅模块的使用使得整车能耗更低、体积更小、续航里程更长。目前，国内外车企都在积极部署碳化硅器件，以优化电动汽车的性能。特斯拉、比亚迪、丰田等车企已经开始采用碳化硅器件。随着碳化硅功率器件生产成本的降低，碳化硅在充电桩领域的应用将逐渐深入。

4.光伏发电:目前光伏逆变器龙头企业已经采用碳化硅MOSFET功率器件代替硅器件。根据中国商业信息网的数据，使用碳化硅功率器件可以将转换效率从96%提高到99%以上，降低能量损耗50%以上，设备的循环寿命提高50倍，从而带来低成本、高效率的优势。

5.智能电网:国家正在大力发展新型基础设施，UHV输电项目对碳化硅功率器件需求巨大。其在智能电网中的主要应用场景包括:高压直流换流阀、柔性高压直流换流阀、柔性交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。与其他电力电子设备相比，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高电压、高功率、高温方面的限制所带来的系统限制，具有高频、高可靠、高效率、低损耗等独特优势。推动智能电网在固态变压器、柔性交流输电、柔性DC输电、高压DC输配电系统的发展和变革。

6.轨道交通:轨道交通有其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电器等装置。

7.射频通信:SiC基GaN射频器件兼具SiC的高热导率和GaN在高频段高功率射频输出的优势，能够满足5G通信对高频性能和高功率处理能力的要求，逐渐成为5G功率放大器尤其是宏基站功率放大器的主流技术路线。

二、 碳化硅市场前景

自1955年飞利浦实验室的Lely首次在实验室成功制备碳化硅单晶以来，在随后的60多年里，美国、欧洲、日本等发达国家和地区的科研院所和企业不断创新和改进碳化硅单晶的制备技术和设备，在碳化硅单晶和晶片的技术和产业化领域形成了巨大优势。

碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域已经实现了成熟的应用。随着新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等行业的快速发展，电力设备的需求大幅增加。根据IC Insights《2019年光电子、传感器和分立器件市场分析与预测报告》，2018年全球功率器件销售额增长14%，达到163亿美元。未来，随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速发展，功率器件的全球销量有望保持增长。预计2018-2023年，全球电力设备销售CAGR将达到3.3%，2023年全球电力设备收入将达到192亿美元。

IHSMarkit数据显示，2018年，碳化硅功率器件市场规模约为3.9亿美元。在新能源汽车和电力设备等领域巨大需求的推动下，预计到2027年，碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

碳化硅器件市场规模的测量

新能源产业是空之间一个巨大的新兴市场，新能源汽车在全球的普及趋势也逐渐明朗。随着新能源汽车的发展，对功率器件的需求越来越大，成为功率半导体器件新的增长点。

新能源系统架构中功率半导体应用涉及的部件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、功率转换系统(车载DC/DC)和车外充电桩。碳化硅功率器件在电机驱动系统主逆变器中的应用，可以显著减小电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。

特斯拉的Model 3车型采用24个碳化硅MOSFET作为功率模块的逆变器，是第一个将所有碳化硅功率器件集成在主逆变器中的汽车制造商。碳化硅器件用于车载充电系统和电源转换系统，可以有效降低开关损耗，提高极限工作温度，提高系统效率。目前，全球已有20多家汽车制造商在车载充电系统中使用了碳化硅功率器件。新能源汽车充电桩使用的碳化硅器件，可以减小充电桩的体积，提高充电速度。SiC在新能源汽车上的应用，在保证车辆强度和安全性能的前提下，将大大减轻车辆重量，有效提高电动汽车续航里程10%以上，减少电控系统体积80%。

碳化硅在电动汽车中的应用

新能源碳化硅功率器件市场规模预估:中国汽车工业协会数据显示，中国新能源汽车销量从2015年的33.1万辆增长至2019年的120.6万辆，复合增长率38%，渗透率4.7%。根据工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》，2025年我国汽车销量有望达到3000万辆，其中新能源汽车占新车总销量的20%，新能源汽车销量有望达到600万辆。

根据田可何达的招股说明书，根据现有的技术方案，每辆新能源汽车使用的动力装置价值约为700-1000美元。粗略估计，2025年中国新能源汽车用动力装置市场将达到42 ~ 60亿美元。

2013-2020年新能源汽车销量及增速

2021年新能源汽车产销情况

在光伏发电的应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统的10%，但它是系统能量损耗的主要来源之一。采用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET和碳化硅SBD功率模块的光伏逆变器，可将转换效率从96%提高到99%以上，降低能量损耗50%以上，设备循环寿命提高50倍，从而减小系统体积，提高功率密度，延长器件使用寿命，降低生产成本。高效率、高功率密度、高可靠性和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势。碳化硅产品有望逐步取代硅基器件串联和集中式光伏逆变器。

光伏逆变器中碳化硅功率器件比例的预测

全球光伏装机容量预测

轨道交通车辆呈现多元化发展，从运行状态上可分为干线机车、城轨车辆和高速列车，其中城轨车辆和高速列车是未来轨道交通发展的主要驱动力。电力半导体器件广泛应用于轨道车辆，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体化变流器、电力电子变压器和电力充电器都需要碳化硅器件。

轨道交通中碳化硅功率器件比例的预测

其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心设备。将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，可以极大地发挥碳化硅器件高温、高频、低损耗的特点，提高牵引变流器器件的效率，满足轨道交通大容量、轻量化、节能型牵引变流器的应用要求，提高系统的整体效率。根据田可何达的招股说明书，2012年，含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线37辆列车上实现商业化，实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电机能量损耗的显著降低和冷却单元的小型化。2014年，日本尾田高速铁路新型通勤车搭载三菱电机3300V/1500A全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低55%，体积重量降低65%，功率损耗降低20%至36%。

半绝缘碳化硅衬底主要用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，可以制作碳化硅基氮化镓外延片，进一步制作氮化镓射频器件。微波器件是信号发射和接收的基本元件，是无线通信的核心。主要包括射频开关、低噪声放大器、功率放大器、滤波器等器件。其中，功率放大器是放大射频信号的器件，直接决定了移动终端与基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。

根据Yole的预测，得益于5G基站的建设和雷达下游市场的大量需求，用于GaN外延的半绝缘碳化硅衬底市场规模增长迅速。半绝缘碳化硅衬底(换算成4英寸)的市场出货量将从2020年的16.58万片增长到2025年的43.84万片，期间复合增长率为21.50%。

半绝缘碳化硅衬底销售预测(万片)

随着全球5G通信技术的发展和普及，5G基站的建设将为射频设备带来新的增长动力。5G通信高频、高速、大功率的特点，对功率放大器的频率、高速、功率性能提出了更高的要求。基于碳化硅的氮化镓射频器件兼具碳化硅的高热导率和氮化镓在高频段的高功率射频输出的优点，突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能够满足5G通信对高频性能和高功率处理能力的要求。碳化硅基氮化镓射频器件逐渐成为5G功率放大器，尤其是宏基站功率放大器的主流技术路线。

根据Yole Development的预测，2025年全球射频器件市场规模将超过250亿美元，其中射频功率放大器的市场规模将从2018年的60亿美元增长到2025年的104亿美元，而GaN射频器件在功率放大器中的渗透率将继续提高。随着5G市场对SiC基GaN器件需求的增加，半绝缘SiC晶片的需求也将大幅增长。

不同材料微波射频器件应用范围的比较

三、主要玩家，海外巨头垄断

在碳化硅代工领域，国内企业竞争相当激烈。CRRC时代电气已建成6英寸双极器件、8英寸IGBT、6英寸碳化硅的产业基地，拥有芯片、模块、元器件、应用等一整套自主技术；华润微拥有碳化硅功率器件的制备技术。泰天润是中国领先的碳化硅功率器件制造商。在北京拥有完整的半导体工艺晶圆厂，可以在4/6英寸SiC晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺。

目前，泰科天润的650V/2A-100A、1200V/2A-50A、1700V/5A -50A、3300V/0.6A-50A系列碳化硅器件已投入量产，产品质量可与国际同行业先进水平相媲美。在SiC外延的研发和量产方面，中国也紧跟世界一流水平，汉天成的产品已经进入国际市场；中国的SiC IDM主要有泰科天润、世纪金光、基础半导体、CLP 15、CLP 13等。

衬底制备是碳化硅器件的核心难点，也是成本高的主要原因。由于大尺寸高质量碳化硅衬底的晶体生长速度慢、制备技术难度大、生产成本高，碳化硅衬底的低供应量和高价格一直是制约碳化硅基器件大规模应用的主要因素，制约了产品在下游行业的应用和推广。碳化硅价格昂贵，主要是因为制造难度高。硅可以在72小时内生长出2米左右的晶体；而144小时生长出来的碳化硅晶体厚度只有2-3厘米，碳化硅的生长速度不到硅的百分之一。

其次，由于碳化硅的硬度高(其硬度仅次于金刚石)，用光刻法加工切割这种材料非常困难，损耗很大。切割35-40块3cm厚的硅锭需要120个小时，比切割硅锭慢多了。此外，碳化硅的生长环境温度远高于硅，硅的升华温度在1400度左右，而碳化硅晶片的生长需要2000度左右，对炉子设备要求更高。此外，SiC的生长周期长，生长的晶锭厚度薄，并且难以控制产量。

随着尺寸的增大，对碳化硅单晶扩径技术的要求越来越高。扩径技术需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多种技术控制因素。，最终实现晶体的迭代扩径生长，从而获得直径达标的优质籽晶，进而实现后续大尺寸晶体的连续生长。在最新的技术研发储备上，行业龙头柯睿公司和二陆公司已经成功研发并投产了8英寸产品，而国内企业在这方面比较落后。

目前导电碳化硅衬底以6英寸为主，正在研发8英寸衬底。半绝缘碳化硅衬底以4英寸为主，目前逐渐向6英寸发展。6英寸衬底的面积是4英寸衬底的2.25倍，在同样的晶体制备时间内衬底面积的倍数增加将大大降低衬底的成本。同时，单个衬底上制备的芯片数量随着衬底尺寸的增大而增加，单位芯片的成本也相应降低，因此碳化硅衬底正在向大尺寸方向发展。

从产业格局来看，全球碳化硅产业格局呈现美欧日三足鼎立之势。其中美国是世界上最大的，占全球碳化硅产量的70%~80%，CREE在碳化硅晶片市场的占有率高达60%。欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件和应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发的绝对领导者。

90年代初，美国CREE公司成功推出碳化硅晶片产品，90年代末成功开发4英寸碳化硅晶片，并于2001年成功开发出第一款商用碳化硅SBD产品。随着碳化硅衬底和器件制备技术的成熟和不断完善，以及下游应用需求的不断增加，国际领先的碳化硅企业在保持技术和市场份额的同时，也在不断加强产业布局。主要措施包括:继续扩大产能。据科锐官网显示，科锐于2019年5月投资10亿美元扩大碳化硅晶圆产能；加强与上下游产业链的联盟，通过合同、联盟或其他方式提前锁定订单(如2018年，科锐相继与欧美主要第三代半导体下游企业如英飞凌、ST等签订长期供货协议)。整体来看，国际领先的半导体企业加快了在碳化硅领域的布局，这一方面将加快碳化硅材料的市场渗透率，另一方面也初步确立了未来几年第三代半导体领域的竞争格局。

全球碳化硅产业链中的主要公司

从碳化硅(SiC)衬底的全球业务情况来看，以2018年导电SiC晶片厂商的市场份额为参考，美国CREE公司以62%的市场份额占据领先地位，其次是美国II-VI公司，市场份额约为16%。总体来看，在碳化硅市场，美国厂商占据主要地位。

碳化硅衬底的市场现状

导电碳化硅晶片制造商的市场份额

四、 国内企业持续布局，加强产品创新

第三代半导体材料是信息产业、5G通信、国防军工等战略领域的核心材料。近年来，国家出台了一系列鼓励半导体产业的政策，为国内企业提供政策和资金支持，以促进以碳化硅为代表的第三代半导体材料的发展。

碳化硅是技术密集型产业，对R&D人员的运营经验和资金投入要求较高。国际半导体公司的研发比国内公司早几十年，技术积累已经提前完成。因此，国内企业存在人才短缺、技术水平低的困难，制约了半导体产业产业化的发展。碳化硅第三代半导体行业，行业整体处于产业化初期，中国企业与海外企业的差距明显缩小。

受益于我国5G通信、新能源等新兴产业技术水平和产业化规模的世界领先地位，国内碳化硅器件空的巨大应用市场带动上游半导体产业快速发展，国内碳化硅厂商各有优势。在全球半导体材料短缺的背景下，国际领先企业纷纷提出扩大碳化硅产能的计划，并保持了较高的R&D投资。与此同时，国内本土SiC厂商加快SiC领域布局，抓住发展机遇，追赶国际领先企业。

国内制造商的产品和能力

经过多年的研究和创新，国内一些公司已经掌握了半绝缘碳化硅衬底和导电碳化硅衬底的生产技术，产品质量达到国际先进水平。SiC衬底产品的核心技术参数包括直径、微管密度、多型面积、电阻率范围、总厚度变化、曲率、翘曲和表面粗糙度。

近年来，国内企业碳化硅衬底制造技术水平不断提高。衬底产量正在上升。衬底良率体现为单根半导体级晶棒切片后生产出合格衬底的比例，受晶棒质量、切割工艺等多方面影响。国内碳化硅衬底企业山东田玉娥，根据公司招股书，核心生产环节的晶棒良品率由2018年的41.00%提升至2020年的50.73%，公司衬底整体良品率保持在70%以上，对公司产品质量起到了显著的促进作用。

根据半绝缘碳化硅衬底市场山东田玉娥的招股说明书，山东田玉娥在中国市场处于领先地位。Yole数据显示，2019年至2020年，在半绝缘碳化硅衬底领域，田玉娥先进公司按销售额计算的市场份额排名全球第三。目前，国内碳化硅半导体企业已经自主控制了设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗和测试的全过程，具备了为下游外延器件厂商稳定提供高质量碳化硅晶片，加速下游碳化硅厂商实现进口替代的能力。

在国家产业政策的支持和引导下，中国碳化硅晶片产业的发展速度大大加快。国内企业正在以技术驱动发展，深耕碳化硅晶片和晶体制造，逐步掌握2英寸到6英寸碳化硅晶体和晶片的制造技术，打破国内碳化硅晶片制造的技术差距空，逐步缩小与发达国家的技术差距。随着未来我国新能源汽车、5G通信、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空空航空航天等产业的快速发展，我国碳化硅产业规模和产业技术将进一步提升。

东西认为，碳化硅领域，尤其是碳化硅的高端(高压大功率场景)器件，基本上还掌握在西方国家手中，SiC产业处于美日欧三方竞争格局，前五大厂商约占90%。但是碳化硅和第三代半导体在整个行业的探索过程中还在发展，远没有达到可以大规模替代第二代半导体的成熟产业水平，国内替代潜力巨大。