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发表于 2020-09-16 16:49:45 东方财富Android版
第三代半导体发展大势所趋2020年第三代半导体材料产业链全景图深度分析中商产业研
第三代半导体发展大势所趋 2020年第三代半导体材料产业链全景图深度分析
中商产业研究院
9月14日,A股放量回升,第三代半导体板块大涨8.1%,成为两市焦点。第三代半导体强势反弹,有基金经理认为,随着5G手机出货量的持续增加,5G驱动的换机潮将到来,有望促进相关科技公司的业绩持续释放,当前应遵循“存优去劣”原则布局5G设备、传输网、云计算等科技核心资产。其中,半导体板块作为科技产业的底层支撑,未来有望多点开花。
半导体行业经过近六十年的发展,半导体材料经历了三次明显的换代和发展。第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料;第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓、锑化铟;第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN,相比于第一、二代半导体,其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率,在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。
资料来源:中商产业研究院整理
半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分,在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。第三代半导体材料以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等为代表。目前比较成熟的有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。因此本文主要研究碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)两大第三代半导体衬底材料。
其中,碳化硅产业链环节主要有衬底片、外延片和器件环节。从事衬底片的国内厂商主要有露笑科技三安光电、天科合达、山东天岳等;从事碳化硅外延生长的厂商主要有瀚天天成和东莞天域等;从事碳化硅功率器件的厂商较多,包括华润微扬杰科技、泰科天润、绿能芯创、上海詹芯等。
氮化镓产业链与碳化硅产业链环节无较大差别,同样分为衬底、外延片和器件环节。尽管碳化硅被更多地作为衬底材料,但国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业,主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等;从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等;从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电闻泰科技赛微电子聚灿光电乾照光电等。
在第三代半导体材料产业链制造以及应用环节上,SiC可以制造高耐压、大功率电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等,用于智能电网、新能源汽车等行业。与硅元器件相比,GaN具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点,是超高频器件的极佳选择,适用于5G通信、微波射频等领域的应用。
资料来源:中商产业研究院整理
一、第三代半导体材料产业链之碳化硅
近年来,以碳化硅为代表的第三代半导体材料在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势,进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能,具体如下:
资料来源:中商产业研究院整理
正是由于碳化硅器件具备的上述优越性能,可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一。
近年来碳化硅晶片作为衬底材料的应用逐步成熟并进入产业化阶段,以碳化硅晶片为衬底,通常使用化学气相沉积(CVD)方法,在晶片上淀积一层单晶形成外延片。其中,在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片,可进一步制成功率器件,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;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(GaN-on-SiC)外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通讯、雷达等领域。
碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。可广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域,在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。
(一)功率器件
碳化硅功率器件被广泛应用于新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等,光伏、风电等领域。受益新能源汽车的放量,碳化硅功率器件市场将快速增长。根据Yole数据,2018年和2024年碳化硅功率器件市场规模分别约4亿和50亿美元,复合增速约51%,按照该复合增速,2027年碳化硅功率器件市场规模约172亿美元。
碳化硅材料市场规模预测
功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心,功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制,管理着全球超过50%的电能资源,广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面,是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求,在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。
资料来源:Yole Developmen
1、碳化硅功率器件在电动车领域应用
碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间,工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用,如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域,可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT。
资料来源:国泰君安、中商产业研究院整理
2、碳化硅功率器件在光伏领域应用
根据天科合达招股书显示,在光伏发电应用中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右,却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器,转换效率可从96%提升至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中,碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。
数据来源:CASA、中商产业研究院整理
3、碳化硅功率器件在轨道交通应用
轨道交通车辆呈现多样化发展,从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车,其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中,牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备,将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器,能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性,提高牵引变流器装置效率,符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求,提升系统的整体效能。2012年,包含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线37列车辆中商业化应用,实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却单元的小型化;2014年,日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A全碳化硅
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