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万众瞩目的第三代半导体材料 碳化硅产业风潮正盛

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体具备耐高压、耐高温、低损耗等特性,符合当前功率半导体器件的应用需求,正在逐步成长为市场聚焦的新赛道。

作为二十世纪最重要的新四大发明之一,也作为二十一世纪集成电路、芯片等载体的半导体,其重要性不言而喻。生活中小到手机、电脑,大到汽车、移动通讯等电子产品、设备,都与其无不相关。半导体材料作为半导体产业链上中游的重要组成部分,自然在半导体产品生产制造起到关键性作用。

伴随着第四次工业革命到来,大量新技术都需要依靠芯片来实现,但在过去的几十年间,中国的半导体材料过度依赖进口,无法自给自足的半导体产业限制了中国信息技术产业的发展。而伴随着“双碳”目标进入推进的关键阶段,先进半导体材料在诸多关键新材料中的地位也逐渐突出。

在这样的背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体具备耐高压、耐高温、低损耗等特性,符合当前功率半导体器件的应用需求,正在逐步成长为市场聚焦的新赛道。

第三代半导体材料到底是什么?碳化硅是如何“突出重围”成为第三代半导体材料的?未来将如何走出一条极具特色的产业道路?今天,请跟随《中国科技信息》一起来解开这些问题的答案。

碳化硅成为半导体领域竞争焦点

先进半导体材料作为信息技术产业的基石,在国际局势愈加动荡的背景下,其供需矛盾日益凸显。如今,经历了数代的更迭,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。在当前时代背景下,碳化硅成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点,美、日、欧等国都在积极进行战略部署。

碳化硅是一种无机物,化学式为 SiC,是用天然硅石、碳、木屑、工业盐作基本合成原料,在一种特殊的电阻炉中加热反应合成的。与前两代半导体材料相比,以碳化硅制成的器件拥有良好的耐热性、耐压性和极低的导通能量损耗,是制造高压功率器件与高功率射频器件的理想材料。因此,它也被称为突破性第三代半导体材料,下游应用包括新能源、光伏、储能、通信等领域。

我国自“十三五”时期开始,推进半导体领域的发展被明确写入规划中,而“十四五”时期,围绕新一代半导体、碳化硅等材料的一系列促进性政策的发布可以看出碳化硅行业将成为国家未来的战略性行业之一。

材料特性为碳化硅打开巨大市场空间

碳化硅受到如此强烈的关注,究竟为何?答案主要体现在三个方面:首先,SiC 具有宽的禁带宽度、高击穿电场、高热传导率和高电子饱和速率的物理性能,使其有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等优点,可降低下游产品能耗、减少终端体积。其次,碳化硅的热导率大幅高于其他材料,从 而使得碳化硅器件可在较高的温度下运行,同时高热导率有助于器件快速降温,从而下游企业可简化器件终端的冷却系统,使得器件轻量化。第三,碳化硅具有较高的能量转换效率,且不会随着频率的提高而降低,碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的 10 倍,相同规格的碳化硅基 MOSFET 总能量损耗仅为硅基 IGBT 的 30%。

碳化硅性能超群,其产业链也因此涉及多个复杂技术环节,包含碳化硅粉末、碳化硅晶锭、碳化硅衬底、碳化硅外延、碳化硅晶圆、碳化硅芯片和碳化硅器件封装环节。其中,衬底制造是碳化硅产业链技术壁垒最高、价值量最大的环节,是新近发展的宽禁带半导体的核心材料,占比最高接近50%。

碳化硅的衬底可以按照电阻率分为导电型衬底和半绝缘型衬底,在导电型衬底上生长 SiC 衬底制作的功率半导体器件可以应用在新能源汽车、电网、光伏逆变器、轨道交通等高压工作场景。在半绝缘型衬底上生长 GaN 外延制作的微波射频器件主要应用在射频开关、功率放大器、滤波器等通讯场景,可以满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理性能的要求。

综合来看,碳化硅材料的特性决定了它将会逐步取代传统硅基,打开巨大的市场空间。碳化硅材料将在高温、高频、高频领域逐步替代硅,在 5G 通信、航空航天、新能源汽车、智能电网领域发挥重要作用。

半导体领域实现国产自主的重要节点

正如上文提到的,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。而具体到汽车应用领域,碳化硅应用于新能源车,可以降低损耗、减小模块体积重量、提升续航能力。新能源汽车技术的发展,对功率器件提出了高效、高功率、高功率密度的要求,受益于新能源汽车的放量,碳化硅器件的市场份额在新能源汽车领域将会迎来爆发增长。

根据Yole数据,受新能源汽车行业庞大的需求驱动,以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升的影响,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将达到62.97亿美元,2021-2027年的复合增速约为34%。

尽管如此,国内第三代半导体目前仍处于发展初期,尽管下游需求极其旺盛,上游衬底供应却受到设备禁运、生产耗材供给稀缺、工艺不成熟问题等掣肘,导致国内衬底企业产品出货较为艰难,成本居高不下。碳化硅衬底上游供应链的进一步国产化不仅仅是当前主流衬底企业降本增效的关键,更是未来更多产业玩家能否低门槛入局,共同做大市场的关键。

对此,国内厂商正在积极布局,着力寻找器件市场突破空间。下游厂商对碳化硅器件稳定性要求较高,验证周期较长,国内厂商切入过程较慢,现有规模相对较小。但随着新能源车、光伏、储能、智能电网等下游应用领域持续高景气,以士兰微、斯达半导体、华润微、三安光电为代表的国内厂商持续布局碳化硅器件产线,积极寻找突破空间。其他国内碳化硅器件公司主要包括时代电气、振华科技、泰科天润、芯粤能等。

众人拾柴火焰高,第三代半导体材料与国计民生、国家安全有着千丝万缕的联系,同时中国也已不再是过去的中国,在新环境、新形势、新挑战与新机遇下,必将力争上游,拿下这块产业高地,不再被他国扼住脖子,在半导体领域实现国产自主指日可待。

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  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20230201A085JZ00?refer=cp_1026
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