第三代半導體材料發展加速：碳化硅晶片下游應用市場預測分析（圖）

中商情報網訊：半導體襯底材料包括硅材料和砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導體材料。硅是目前技術最成熟、使用范圍最廣、市場占比最大的襯底材料，近年來隨著材料制備技術與下游應用市場的成熟，以碳化硅為代表的第三代半導體襯底材料市場規模持續擴大。

一、第三代半導體襯底材料概況

第三代半導體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導體材料相比最大的優勢是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場強度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、5G基站、衛星等新興領域的理想材料。

具體對比情況如下圖所示：

資料來源：中商產業研究院整理

二、碳化硅晶片產業鏈

第三代半導體材料中，受技術與工藝水平限制，氮化鎵材料作為襯底實現規模化應用仍面臨挑戰，其應用主要是以藍寶石、硅晶片或碳化硅晶片為襯底，通過外延生長氮化鎵以制造氮化鎵器件。相比而言，近年來碳化硅晶片作為襯底材料的應用逐步成熟并進入產業化階段，以碳化硅晶片為襯底的下游產業鏈圖示如下：

資料來源：中商產業研究院整理

以碳化硅晶片為襯底，通常使用化學氣相沉積（CVD）方法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中，在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進一步制成功率器件，應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進一步制成微波射頻器件，應用于5G通訊、雷達等領域。

三、碳化硅晶片下游應用分析

1.功率器件

現有的功率器件大多基于硅半導體材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐漸接近極限，難以滿足迅速增長和變化的電能應用新需求。碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。

經過近30年研究和開發，碳化硅襯底和功率器件制造技術在近年逐步成熟，并快速推廣應用，正在掀起一場節能減排和新能源領域的巨大變革。碳化硅功率器件的應用領域如下圖所示：

資料來源：Yole Development

根據IC Insights《2019 年光電子、傳感器、分立器件市場分析與預測報告》， 2018 年全球功率器件的銷售額增長率為14%，達到163億美元。未來，隨著碳化硅和氮化鎵功率器件的加速發展，全球功率器件的銷售額預計將持續保持增長。預計2018 至2023 年期間，全球功率器件的銷售額復合年增長率達到 3.3%，2023 年全球功率器件收入將達到 192 億美元。

根據 IHS Markit 數據，2018 年碳化硅功率器件市場規模約3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及電力設備等領域的帶動，預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規模將超過100億美元，碳化硅襯底的市場需求也將大幅增長。

數據來源：IHS Markit

2.新能源汽車

碳化硅功率器件應用于電機驅動系統中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，提高功率密度。碳化硅器件應用于車載充電系統和電源轉換系統，能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件應用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。

3.光伏發電

在光伏發電應用中，基于硅基器件的傳統逆變器成本約占系統10%左右，卻是系統能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅MOSFET 或碳化硅MOSFET 與碳化硅SBD 結合的功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50 倍，從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產品預計會逐漸替代硅基器件。預計2025年全球光伏逆變器中碳化硅功率器件占比將達50%。

數據來源：CASA、中商產業研究院整理

4.軌道交通

牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備，將碳化硅器件應用于軌道交通牽引變流器，能極大發揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節能型牽引變流裝置的應用需求，提升系統的整體效能。

 預計2030年全球軌道交通中硅基IGBT器件占比達70%，混合碳化硅器件占比達17%，全碳化硅器件占比達5%，碳化硅分立器件占比達8%。并預計于2050年，全碳化硅器件快速發展，占比將增至40%。

數據來源：CASA、中商產業研究院整理

5.射頻器件

5G 通訊高頻、高速、高功率的特點對功率放大器的高頻、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢，突破了砷化鎵和硅基LDMOS 器件的固有缺陷，能夠滿足5G 通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術路線。

數據來源：Analog Dialogue

隨著全球 5G 通訊技術的發展和推廣，5G 基站建設將為射頻器件帶來新的增長動力。據Yole Development 預測，2025 年全球射頻器件市場將超過250 億美元，其中射頻功率放大器市場規模將從2018 年的60 億美元增長到2025 年的104 億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率將持續提高。隨著 5G市場對碳化硅基氮化鎵器件需求的增長，半絕緣型碳化硅晶片的需求量也將大幅增長。

數據來源：Yole Development