中商情報(bào)網(wǎng)訊：半導(dǎo)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(dǎo)體材料。硅是目前技術(shù)最成熟、使用范圍最廣、市場(chǎng)占比最大的襯底材料，近年來(lái)隨著材料制備技術(shù)與下游應(yīng)用市場(chǎng)的成熟，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體襯底材料市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。

一、第三代半導(dǎo)體襯底材料概況

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢(shì)是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動(dòng)汽車(chē)、5G基站、衛(wèi)星等新興領(lǐng)域的理想材料。

具體對(duì)比情況如下圖所示：

資料來(lái)源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

二、碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)鏈

第三代半導(dǎo)體材料中，受技術(shù)與工藝水平限制，氮化鎵材料作為襯底實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，其應(yīng)用主要是以藍(lán)寶石、硅晶片或碳化硅晶片為襯底，通過(guò)外延生長(zhǎng)氮化鎵以制造氮化鎵器件。相比而言，近年來(lái)碳化硅晶片作為襯底材料的應(yīng)用逐步成熟并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，以碳化硅晶片為襯底的下游產(chǎn)業(yè)鏈圖示如下：

資料來(lái)源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

以碳化硅晶片為襯底，通常使用化學(xué)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(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進(jìn)一步制成功率器件，應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進(jìn)一步制成微波射頻器件，應(yīng)用于5G通訊、雷達(dá)等領(lǐng)域。

三、碳化硅晶片下游應(yīng)用分析

1.功率器件

現(xiàn)有的功率器件大多基于硅半導(dǎo)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(zhǎng)和變化的電能應(yīng)用新需求。碳化硅功率器件以其優(yōu)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(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過(guò)近30年研究和開(kāi)發(fā)，碳化硅襯底和功率器件制造技術(shù)在近年逐步成熟，并快速推廣應(yīng)用，正在掀起一場(chǎng)節(jié)能減排和新能源領(lǐng)域的巨大變革。碳化硅功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域如下圖所示：

資料來(lái)源：Yole Development

根據(jù)IC Insights《2019 年光電子、傳感器、分立器件市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)報(bào)告》， 2018 年全球功率器件的銷(xiāo)售額增長(zhǎng)率為14%，達(dá)到163億美元。未來(lái)，隨著碳化硅和氮化鎵功率器件的加速發(fā)展，全球功率器件的銷(xiāo)售額預(yù)計(jì)將持續(xù)保持增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2018 至2023 年期間，全球功率器件的銷(xiāo)售額復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到 3.3%，2023 年全球功率器件收入將達(dá)到 192 億美元。

根據(jù) IHS Markit 數(shù)據(jù)，2018 年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約3.9 億美元，受新能源汽車(chē)龐大需求的驅(qū)動(dòng)，以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)到 2027 年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元，碳化硅襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)來(lái)源：IHS Markit

2.新能源汽車(chē)

碳化硅功率器件應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度。碳化硅器件應(yīng)用于車(chē)載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠有效降低開(kāi)關(guān)損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率，目前全球已有超過(guò) 20 家汽車(chē)廠商在車(chē)載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件應(yīng)用于新能源汽車(chē)充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。

3.光伏發(fā)電

在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來(lái)源之一。使用碳化硅MOSFET 或碳化硅MOSFET 與碳化硅SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長(zhǎng)器件使用壽命、降低生產(chǎn)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)逐漸替代硅基器件。預(yù)計(jì)2025年全球光伏逆變器中碳化硅功率器件占比將達(dá)50%。

數(shù)據(jù)來(lái)源：CASA、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

4.軌道交通

牽引變流器是機(jī)車(chē)大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心裝備，將碳化硅器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，能極大發(fā)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(jié)能型牽引變流裝置的應(yīng)用需求，提升系統(tǒng)的整體效能。

 預(yù)計(jì)2030年全球軌道交通中硅基IGBT器件占比達(dá)70%，混合碳化硅器件占比達(dá)17%，全碳化硅器件占比達(dá)5%，碳化硅分立器件占比達(dá)8%。并預(yù)計(jì)于2050年，全碳化硅器件快速發(fā)展，占比將增至40%。

數(shù)據(jù)來(lái)源：CASA、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

5.射頻器件

5G 通訊高頻、高速、高功率的特點(diǎn)對(duì)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(shí)具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(shù)路線。

數(shù)據(jù)來(lái)源：Analog Dialogue

隨著全球 5G 通訊技術(shù)的發(fā)展和推廣，5G 基站建設(shè)將為射頻器件帶來(lái)新的增長(zhǎng)動(dòng)力。據(jù)Yole Development 預(yù)測(cè)，2025 年全球射頻器件市場(chǎng)將超過(guò)250 億美元，其中射頻功率放大器市場(chǎng)規(guī)模將從2018 年的60 億美元增長(zhǎng)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(xù)提高。隨著 5G市場(chǎng)對(duì)碳化硅基氮化鎵器件需求的增長(zhǎng)，半絕緣型碳化硅晶片的需求量也將大幅增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)來(lái)源：Yole Development