碳化硅前景广阔，国内设计制造薄弱

导读：近期华为旗下哈勃投资（2019年4月成立）入股10%第三代半导体材料碳化硅（SiC）的制造商山东天岳。在美国对中国高科技企业不断施压的形势下，华为此举或许表明对第三代半导体材料SiC潜在的需求以及前景的认可。

　　以SiC为代表的第三代半导体材料在禁带宽度、击穿电场、热导率、电子饱和度以及抗辐射能力方面均优于Si，在功能上展现出耐高温、耐高压、降低开关损失、适用高频环境及功率密度高等优点，见表1。目前主要应用领域有半导体照明、电力电子器件、激光器、探测器、光伏、5G和新能源汽车等领域，每个领域的产业成熟度各不相同，在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

　　表1 SiC与Si主要参数对比

　　（资料来源：公开资料，五度易链行业研究中心）

全球功率半导体逐渐繁荣，新能源汽车将为主要驱动力

　　SiC功率器件具备耐高压、耐高频、耐热、低开关损耗的优势，以及其优于其他第三代半导体材料（GaN）产业化程度会使其在相关领域加速落地应用，尤其在电动汽车大功率半导体零部件领域。电动源汽车的电动模块中电动机是有源负载，其转速范围很宽，且在行驶过程中需要频繁地加速和减速，工作条件比一般的调速系统复杂，采用碳化硅功率器件可有效提高其驱动系统，在击穿电压、开启电阻、热导率和工作温度方面可以获得提升，最终大幅提升电动汽车轻量化水平。目前一些汽车厂商对新一代碳化硅功率器件寄予了厚望，希望通过应用碳化硅功率器件大幅实现电动汽车逆变器和DC-DC转换器等驱动系统的小型轻量化。2018年全球SiC功率半导体规模约为4.2亿美元，在电动汽车领域的功率器件规模约1.1亿美元，据Yole预测，2024年全球SiC功率半导体市场规模将增加到19.3亿美元，年复合增长率（CAGR）将达到29%，在新能源汽车领域功率器件规模将增到9.5亿美元，CAGR达到43%，见图1。

　　图1 2018年与2024年碳化硅功率器件细分市场占比及增速

　　（资料来源：Yole，五度易链行业研究中心）

SiC大尺寸化是未来主要技术发展方向

　　SiC相比其他第三代半导体材料，产业化已经形成，降低成本，提升毛利率的技术将成为企业发展的重要支撑，随着6英寸SiC衬底的产业化落地，大尺寸SiC将成为衬底材料技术发展的主要方向。Cree（美）、道康宁（美）、罗姆（日）等企业已经完成4-6英寸SiC单晶衬底（包括半绝缘型），国内已经具备了成熟的4英寸零微管碳化硅单晶产品，并已经研发出了6英寸单晶样品。大尺寸化趋势已经形成，据Yole预测，在2030年以后4英寸SiC单晶衬底将退出市场，取而代之的是大规模的6英寸SiC单晶衬底，见图2。

　　图2 SiC单晶衬底材料市场预测

　　（资料来源：Yole，五度易链行业研究中心）

国内设计制造环节薄弱难以带动上游需求

　　SiC产业链包括衬底、外延、器件/模块以及终端应用，见图3。碳化硅衬底材料主要包括导通型衬底和半绝缘衬底，前者是制造碳化硅功率半导体器件的基材；后者具备高电阻的同时可以承受更高的频率，在5G通讯、传感感应器件上具备广阔的应用空间。目前山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发，中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底，从技术上看与国外差距不断缩小。SiC外延材料是衬底材料制作器件的“中介平台”，缺陷越少，厚度越厚，外延材料的质量越高在20μm以下国内外产品差距不大，在100μm以上的产能线中，国内产品与国外先进水平有一定差距。

　　图3 SiC产业链全景图

　　（资料来源：公开资料，五度易链行业研究中心）

　　国外企业Cree、英飞凌、罗姆、意法半导体等公司已经开发沟槽栅SiC MOSFET产品（第4-5代），并实现部分量产，国内目前量产的以SiC二极管为主，一些企业虽已开发晶体管产品，但未形成产能线，距国际先进水平较大。我国封装领域较发达，因此在功率模块方面差距较小。整体上，功率器件由美、欧、日领先，美国占据70%-80%的市场份额；欧洲在碳化硅衬底、外延、器件以及应用方面拥有完整的产业链；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。我国在功率器件设计领域和制造领域（图4）与国外相差较大，从整体产业链角度看，该环节的薄弱会难以带动上游的需求。

　　图4 SiC功率半导体部分制造厂商

　　（资料来源：公开资料，五度易链行业研究中心）

结语

　　SiC作为已经具备产业规模的第三代半导体材料，优势明显，前景广阔，新能源电动汽车将会是增量的主要驱动力。未来技术发展趋势上，SiC单晶衬底材料大尺寸化将成为主流。从市场现状看，美国企业占据统治地位，欧、日企业各有千秋，我国企业在上游SiC衬底和外延部分发展较快，功率器件设计和制造环节比较薄弱，但是全球行业发展成熟度不高，在华为等具备需求端产业生态的企业助推之下，国内SiC前景未来可期。