2022年中国SiC碳化硅器件行业深度研究报告

2022年 中国SiC碳化硅器件行业深度研究报告 CON目T录ENTS 第一章碳化硅器件行业概况碳化硅器件行业定义分类碳化硅器件行业政策 碳化硅器件行业发展历程中国碳化硅器件行业产业链碳化硅器件行业市场规模 全球碳化硅器件行业市场规模 中国碳化硅器件行业市场规模 中国碳化硅器件行业竞争格局 中国碳化硅器件行业发展的机会和挑战 第二章碳化硅器件行业技术情况碳化硅器件行业国内外技术差距碳化硅器件扩大应用技术难点 碳化硅器件行业降低成本技术路径 第三章产业链上游—衬底 衬底定义与分类 全球碳化硅衬底市场规模国内外衬底差距 衬底竞争格局衬底发展趋势 中国衬底产能布局和规划 05第四章产业链上游—外延36 06碳化硅外延业定义分类37 09碳化硅外延片制作方法38 10CVD法制作碳化硅外延技术路线39 11碳化硅外延技术进展40 14碳化硅外延制作设备41 14碳化硅外延成本与价格42 15碳化硅外延产能布局43 16第五章产业链中游—器件制造44 17碳化硅器件设计45 19碳化硅器件制造47 碳化硅器件封测48 20碳化硅器件产能布局49 21第六章产业链下游—终端应用53 27碳化硅器件用途54 28导电型器件应用55 29半绝缘型器件应用58 30第七章行业企业59 31株洲中车时代电气股份有限公司60 32嘉兴斯达半导体股份有限公司61 33无锡新洁能股份有限公司62 34山东天岳先进科技股份有限公司63 广东天域半导体股份有限公司64 SiC、碳化硅：SiliconCarbide，碳和硅的化合物，一种宽禁带半导体材料，俗称第三代半导体材料之一。 GaN、氮化镓：GalliumNitride三代半导体材料之一。 晶片、衬底、抛光片：沿特定的结晶方向将晶体切割、研磨、抛光，得到具有特定晶面和适当电学、光学和机械特性，用于生长外延层的洁净单晶圆薄片。 外延片：在晶片的基础上，经过外延工艺生长出特定单晶薄膜，衬底晶片和外延薄膜合称外延片。如果外延薄膜和衬底的材料相同，称为同质外延；如果外延薄膜和衬底材料不同，称为异质外延。 芯片：在半导体外延片上进行浸蚀、布线，制成的能实现某种功能的半导体器件。 射频器件：利用射频技术形成的一类元器件，常用于无线通信等领域。 HEMT：HighElectronMobilityTransistor，高电子迁移率晶体管，是一种异质结场效应晶体管 微波器件：工作在微波波段（频率为300～300，000兆赫）的器件。通过电路设计，微波器件可组合成各种有特定功能的微波电路，用于雷达、电子战系统和通信系统等电子装备。 功率器件：用于电力设备的电能变换和控制电路的分立器件，也称电力电子器件。 肖特基二极管：SchottkyBarrierDiode，即肖特基势垒二极管，利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的一种热载流子二极管，也被称为金属-半导体（接触）二极管或表面势垒二极管。 二极管：用半导体材料制成的一种功率器件，具有单向导电性能，应用于各种电子电路中，实现对交流电整流、对调制信号检波、限幅和钳位以及对电源电压的稳压等多种功能。 MOSFET：Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。 IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor种电力电子行业的常用半导体开关器件的缩写，即绝缘栅双极性晶体管。 逆变器：把直流电能转变成定频定压或调频调压交流电的转换器。 禁带：在能带结构中能态密度为零的能量区间，常用来表示价带和导带之间的能量范围。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。第三代半导体因具有宽禁带的特征，又称宽禁带半导体。 电子漂移速率：电子在电场作用下移动的平均速度。 饱和电子漂移速率：电子漂移速率达到一定范围后，不再随着电场作用而继续增加的极限值。 热导率：物质导热能力的量度，又称导热系数。 击穿电场强度：电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体，称为电介质击穿，所对应的电场强度称为击穿电场强度。 微管：碳化硅晶片的一种缺陷，是晶片中延轴向延伸且径向尺寸在一微米至十几微米的中空管道。 导通电阻：半导体器件导通后两端电压与导通电流之比，是器件的重要参数，理想的半导体器件导通电阻应为零。 长晶炉：晶体生长炉。 PVT法：PhysicalVaporTransportation，物理气相传输法，一种常见的碳化硅晶体生长方法。 CVD法：化学气相沉积法，一种晶体和外延生长方法。 光电器件：根据光电效应制作的器件，主要种类包括光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电耦合器件等。 转换器：将一种信号转换成另一种信号的装置。 OBC：On-boradCharger，车载充电器。 行业概述 SiC碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。相比传统的硅材料（Si），碳化硅（SiC）的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍。 碳化硅原材料核心优势体现在：1)耐高压特性：更低的阻抗、禁带宽度更宽，能承受更大的电流和电压，带来更小尺寸的产品设计和更高的效率；2)耐高频特性：SiC器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高元件的开关速度（大约是Si的3-10倍），适用于更高频率和更快的开关速度；3)耐高温特性：SiC相较硅拥有更高的热导率，能在更高温度下工作。 定义：SiC碳化硅器件是指以碳化硅为原材料制成的器件，按照电阻性能的不同分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型碳化硅基射频器件。功率器件又被称为电力电子器件，是构成电力电子变换装置的核心器件。电力电子器件是对电能进行变换和控制，所变换的“电力”功率 可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。电力电子装置正是实现电能高质量高效转换、多能源协调优化、弱电与强电之间控制 运行、交流与直流之间能量互换、自动化高效控制等的重要手段，也是实现节能环保、提高电能利用效率的重要保障。 射频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色，是无线通信设备的基础性零部件，主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放大器、双工器等。 第一代半导体第二代半导体第三代半导体 半导体材料 Si Ge GaAs GaN 4H-SiC 6H-SiC 3C-SiC ALN 禁带宽度（eV） 1.12 0.67 1.43 3.37 3.26 3 2.2 6.2 能带类型 间接 间接 直接 直接 间接 间接 间接 间接 击穿场强（MV/cm） 0.3 0.1 0.06 5 3 5 3 1.4 电子迁移率（cm2/Vs） 1350 3900 8500 1250 800 <400 <800 300 空穴迁移率（cm2/Vs） 480 1900 400 <200 115 90 320 14 热导率（W/cm*K） 1.3 0.58 0.55 2 4.9 4.9 3.6 2.85 相比传统的硅材料（Si），碳化硅（SiC）各项性能指标优势明显 导电型碳化硅功率器件主要是通过在导电型衬底上生长碳化硅外延层，得到碳化硅外延片后进一步加工制成，品种包括造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。性能优势如下：（1）更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。（2）更好的高温特性。碳化硅相较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。（3）更低的能量损耗。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，使得碳化硅器件具有极低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度，使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗；碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。 半绝缘型碳化硅基射频器件是通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片后进一步制成，包括HEMT等氮化镓射频器件，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。碳化硅、氮化镓材料的饱和电子漂移速率分别是硅的2.0、2.5倍，因此碳化硅、氮化镓器件的工作频率大于传统的硅器件。然而，氮化镓材料存在耐热性能较差的缺点，而碳化硅的耐热性和导热性都较好，可以弥补氮化镓器件耐热性较差的缺点，因此业界采取半绝缘型碳化硅做衬底，在衬底上生长氮化镓外延层后制造射频器件。 碳化硅的主要器件形式及应用 N型衬底 导电型 （掺杂氮N） SiC外延 （掺杂氮N） 导电型碳化硅功率器件 耐高温、耐高压 具有降低能耗、提升可靠性、缩小系统体积。提升系统性能等优势。 用于新能源汽车、轨道交通、光伏发电、 P型衬底 衬底 （掺杂铝AI） 高纯衬底 可制造出N沟道IGBT，有着比P沟道IGBT更优越的导通特性和开关特性，因此在电力转换时，开关损耗更小，在超高压功率电子领域有广阔应用前景。 技术难度大、成本高，难以实现量产。 GaN外延半绝缘型碳 智能电网、航空航天等领域市场规模庞大。 绝缘型 电阻率较高不导电 掺杂衬底 （掺杂钒） （掺杂氮N） 化硅基射频器件 用于5G通讯、雷达、国防军工等领域 碳化硅制成的功率器件在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、5G通讯等领域具有明显的优势。 半绝缘型碳化硅基射频器件以半绝缘型碳化硅衬底经过异质外延制备而成，主要面向通信基站以及雷达应用的功率放大器。碳化硅基氮化镓射频器件已成功应用于众多领域，以无线通信基础设施和国防应用为主。无线通信基础设施方面，5G具有大容量、低时延、低功耗、高可靠性等特点，要求射频器件拥有更高的线性和更高的效率。相比砷化镓和硅基LDMOS射频器件，以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具有碳化硅良好的导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能，成为5G基站功率放大器的主流选择。在国防军工领域，碳化硅基氮化镓射频器件已经代替了大部分砷化镓和部分硅基LDMOS器件，占据了大部分市场。对于需要高频高输出的卫星通信应用，氮化镓器件也有望逐步取代砷化镓的解决方案。 导电型碳化硅功率器件主要应用于电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通等领域，具体情况如下： 导电型碳化硅功率器件应用及优势 应用领域 优势 电动汽车/充电桩 “三电”（即电池、电驱、电控）是电动汽车的主要组成部分，从电池的充放电再到电力驱动汽车行走，整个系统中对于电力控制以及电力转换有着很高的需求，同时随着电动汽车的发展对电力电子功率驱动系统提出了更轻、更紧凑、更高效、更可靠的要求。而碳化硅优良的物理性能可以使芯片尺寸更小、效率更高，更加耐高温，可以应用在电动汽车的功率控制单元（PCU）、逆变器、车载充电器中。以SiC基MOSFET器件在逆变器中的应用为例，通常电池输出的是直流电，需要通过逆变器将其转换成交流电后驱动感应电机，进而带动车轮转动，这一过程中交流电的频率、转换效率、等都会直接影响到电动汽车的续航里程，和传统方案相比，SiC在缩减体积的基础上，提升了电能的转换效率，提升电动汽车的续航里程。 光伏新能源 光伏逆变器曾普遍采用硅器件，经过40多年的发展，转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点。使用碳化硅功率器件的光伏逆变器在系统转换效率方面能够很好的保持在96%以上，甚至可以达到99%，在能量损耗以及设备使