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新能源材料之碳化硅

13 03月
作者:无痕阅盘|分类:个股秘密|标签:新能源 碳化硅

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)为代表的元素半导体材料,应用非常普遍。

 

第二代半导体材料主要是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物材料,目前手机所使用的关键通信芯片都采用类似材料制作。

 

第三代半导体材料是指以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料,多在通信、新能源汽车、高铁、卫星通信、航空航天等场景中应用,其中碳化硅、氮化镓的研究和发展较为成熟。

 

与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,因此,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,适用于高电压、高频率场景,此外,还能以较少的电能消耗获得更高的运行能力。

 

碳化硅


碳化硅是世界上硬度排名第三的物质,在热、化学和机械方面都非常稳定。它在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料,应用于射频器件及功率器件。 

碳化硅器件第一个优点是耐高压。因为它的击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗。在实际应用过程中,与硅基相比可以设计成更小的体积,约为硅基器件的 1/10。 

 

第二个优点是耐高温。硅器件的极限工作温度一般不能超过 300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下能保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化。

 

第三个优点是能实现高频的性能。碳化硅的饱和电子漂移速率大,是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。同时碳化硅衬底材料能量损失更小。

 

近年来,以碳化硅晶片作为衬底材料的技术逐渐成熟并开始规模生产及应用。SiC生产过程主要包括碳化硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是碳化硅产业链衬底、外延、器件三大环节。


新能源材料之碳化硅


2019 年及以前,以 SiC 和 GaN 为主的第三代半导体材料处于发展初期,晶圆设备开发、衬底外延制造、下游器件生产均处于研发阶段且尚未形成规模量产。随着美国、韩国、日本等半导体强国大力进行第三代半导体的相关研发,2020 年在产业链下游应用爆发的推动下,第三代半导体正式进入高速发展期。

 

应用领域


碳化硅主要应用领域包括新能源汽车、光伏新能源、PEC 电源、充电基础设施、轨道交通等,下游产业广泛而丰富。其中,新能源汽车、光伏和充电基础设施占比最高,分别为 41.59%、23.11%和 19.78%,是碳化硅的主要应用领域。2020 年,新能源汽车和光伏发电市场的蓬勃发展很好地催动了碳化硅市场的上游需求,全球碳化硅晶圆呈现供给不足状态。 

SiC器件在新能源车上的应用主要包括电机驱动系统逆变器、电源转换系统(车载 DC/DC)、电动汽车车载充电系统(OBC)及非车载充电桩等方面。尽管碳化硅器件成本较高,但它推进了电池成本的下降和续航里程的提升,降低了单车成本,无疑是新能源汽车的最佳选择。

 

SiC 广泛应用于太阳能光伏功率器件,主要包括光伏逆变器、控制器、功率模组等。与传统的 Si 材料相比,SiC 具有极高的击穿电压和较低的导通电阻,因 而其功率器件拥有更好的开关效率并且能高效地进行热量积累。预计中长期内,碳化硅将会成为太阳能光伏领域功率器件的主要制造原料,同时带动产业链整体实现迭代升级。

 

SiC MOSFET 和二极管产品具有耐高压、耐高温、开关频率快的特性,可以很好地用于充电桩模块。与传统硅基相比,碳化硅模块可以增加充电桩近30%的输出功率,并且减少损耗高达50%左右。截至2021年7月,中国累计充电桩数量约为201万台,同比增长20%,近六年CAGR为 76.69%,整体呈现爆发式增长。未来中国以及全球的充电桩需求仍存在较大的增长空间,车桩比例仍将进一步趋近合理化,从而推动碳化硅市场的发展。

 

此外,碳化硅器件可以广泛用于轨道交通领域,提高牵引流变器等装置的功率密度和工作效率,从而提高系统的整体性能,达到减轻轨道交通载重的目的。随着全球交通轨道需求量持续攀升,国内外的领先碳化硅半导体企业纷纷加注交通轨道市场,寻求政府机构进行项目合作,以抓住高速增长的需求机遇。


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