2021年是“十四五”的開局之年，作為十四五期間以及之后較長時間國內(nèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，科技領(lǐng)域尤其是作為科技產(chǎn)業(yè)底層基礎(chǔ)的半導(dǎo)體，是國內(nèi)科技產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)自主可控的重點。美國在特朗普任期內(nèi)對華為、中芯國際等中國科技企業(yè)的制裁和封殺還歷歷在目，從美國制裁的方向看，半導(dǎo)體同樣也是美國限制中國科技崛起的焦點。對此，國家針對半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)行了專門的政策傾斜，“十四五”國家研發(fā)計劃已明確第三代半導(dǎo)體是重要發(fā)展方向。今天我們就來聊一聊第三代半導(dǎo)體材料中的碳化硅（SiC）。

 

目前絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件和集成電路都是由硅制作的，出色的性能和成本優(yōu)勢讓硅在集成電路等領(lǐng)域占有絕對的優(yōu)勢，無論是在電力電子領(lǐng)域還是通信射頻等領(lǐng)域，硅基器件（第一代半導(dǎo)體）在低壓、低頻、中功率等場景，應(yīng)用也非常廣泛。但隨著科技的不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，在一些高功率、高壓、高頻、高溫等應(yīng)用領(lǐng)域如新能源和5G通信等，硅基器件的表現(xiàn)逐漸達(dá)不到理想的要求，后來化合物半導(dǎo)體以其性能優(yōu)勢，在通訊射頻、光通信、電力電子等領(lǐng)域逐步大規(guī)模民用化，前景廣闊，如近年來在通信、新能源領(lǐng)域嶄露頭角的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）材料，具有高頻、抗輻射、耐高電壓等特性，也就是通常所說的第三代半導(dǎo)體。

 

 

在第三代半導(dǎo)體中，受技術(shù)與工藝水平限制，GaN材料主要應(yīng)用于宏基站通信射頻領(lǐng)域；而SiC材料則應(yīng)用在各類功率器件上，近年來隨著技術(shù)工藝的成熟、制備成本的下降，在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)滲透。由此可以看出，SiC材料將是未來新能源、5G通信領(lǐng)域中SiC、GaN器件的重要基礎(chǔ)。

 

GaN因其性能具有作為射頻器件的先天優(yōu)勢。而由于毫米波的功率要求非常高，對于5G來說，GaN也將成為最適合PA的材料，尤其在28GHz以上的頻段。GaN從軍用領(lǐng)域逐漸向5G移動通訊基站等民用領(lǐng)域拓展以來，已成為基站功放器的重要新材料。近年來5G基站快速滲透，射頻芯片數(shù)量提升，且未來5G基站數(shù)量相較4G將大幅提升，GaN射頻器件未來前景廣闊。而GaN射頻器件主要在SiC襯底上制作，因此5G基站對SiC襯底也有較大需求。以我國5G基站市場為例，據(jù)拓璞產(chǎn)業(yè)研究院，預(yù)計2023年我國5G基站建設(shè)需求GaN晶圓約45.3萬片，對應(yīng)4寸半絕緣SiC襯底片需求45.3萬片，襯底需求量持續(xù)增加。

 

SiC被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件材料，在新能源領(lǐng)域中具有相比Si器件更好的表現(xiàn)。有研究認(rèn)為未來SiC材料將在電力電子領(lǐng)域大放異彩。由于其特性，英飛凌、意法半導(dǎo)體、Rohm等功率半導(dǎo)體主要供應(yīng)商紛紛布局SiC功率產(chǎn)品，新能源相關(guān)的SiC功率器件應(yīng)用也在不斷落地。

 

新能源汽車行業(yè)是市場空間巨大的新興市場，在全球碳中和政策的要求下，新能源車在疫情導(dǎo)致的整體車市衰退下仍保持銷售正成長。而汽車電子系統(tǒng)的核心是汽車半導(dǎo)體，無論是安裝的數(shù)量還是價值仍在不斷增長之中。功率器件是新能源車半導(dǎo)體的核心組成，是價值量提升的關(guān)鍵賽道。目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在日趨完善，技術(shù)也正在取得突破，同時，中國也是全球最大的功率半導(dǎo)體消費國，IHSMarkit預(yù)計未來中國功率半導(dǎo)體將繼續(xù)保持較高速度增長，2021年市場規(guī)模有望達(dá)到159億美元，2018~2021年復(fù)合增速達(dá)4.83%。此外，在功率等級相同的條件下，采用SiC器件可滿足功率密度更高、設(shè)計更緊湊的需求，同時也能使電動車?yán)m(xù)航里程更長。據(jù)天科合達(dá)招股說明書，美國特斯拉公司的Model3車型便采用了以24個SiCMOSFET為功率模塊的逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率器件的汽車廠商；目前全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用SiC功率器件；此外，SiC器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。新能源車帶動功率半導(dǎo)體市場需求快速擴(kuò)容，SiC功率器件或迎替代機(jī)遇。

 

未來光伏發(fā)電將會是全球新能源發(fā)展的主要方向，而逆變器是光伏發(fā)電能否有效、快速滲透的關(guān)鍵之一。SiC功率器件，對提升光伏逆變器功率密度、進(jìn)一步降低度電成本至關(guān)重要。在組串式和集中式光伏逆變器中，SiC產(chǎn)品預(yù)計會逐漸替代硅基器件。此外，儲能、充電樁、軌道交通、智能電網(wǎng)等也將大規(guī)模應(yīng)用功率器件。整體而言，隨著器件的小型化與對效率要求提升，采用化合物半導(dǎo)體制成的電力電子器件可覆蓋大功率、高頻與全控型領(lǐng)域，其中SiC的出現(xiàn)符合未來能源效率提升的趨勢。

 

而龐大的市場需求下是尚未真正爆發(fā)的SiC應(yīng)用，SiC功率器件的成本是影響其市場推廣的重要因素。相比Si器件，SiC價格往往高出數(shù)倍，主要是因為SiC襯底較為昂貴。而SiC襯底成本較高，主要因為技術(shù)起步晚、SiC襯底生長較慢，技術(shù)難度大。襯底生產(chǎn)的壁壘、寡頭壟斷的競爭格局加上近年SiC和GaN應(yīng)用的快速滲透，SiC襯底產(chǎn)業(yè)內(nèi)已面臨高度供不應(yīng)求的局面。全球龍頭積極擴(kuò)充SiC產(chǎn)品產(chǎn)能。CREE等國際一流廠商不斷加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)布局，積極擴(kuò)充產(chǎn)能。由于SiC襯底、器件垂直一體化的模式更為高效，因此也或通過收購進(jìn)行上下游整合。近年來，各大廠商紛紛嘗試整合上下游，如Rohm收購了SiCrystal，ST半導(dǎo)體收購了Norstel。

 

快速發(fā)展的下游應(yīng)用市場以及國際龍頭壟斷的競爭格局，我國終端廠商迫切尋求國產(chǎn)供應(yīng)商。國內(nèi)企業(yè)也在積極研發(fā)和探索SiC器件的產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)形成相對完整的SiC產(chǎn)業(yè)鏈體系。中國企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前已經(jīng)開發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底么，以天科合達(dá)和山東天岳為主的SiC晶片廠商發(fā)展速度較快，市占率提升明顯。三安光電（北電新材）在SiC方面也在深度布局。三安光電（北電新材）在2016年12月參與管理的基金收購Norstel。其后成立福建北電新材料，主要從事第三代化合物半導(dǎo)體關(guān)鍵材料所需原材料粉料合成、長晶和襯底的加工，2020年由三安光電收購。北電新材目前采用其襯底制作芯片良率居國內(nèi)前列，晶體質(zhì)量和器件應(yīng)用可靠性表現(xiàn)良好。整體而言，由于SiC行業(yè)起步晚、高度依賴工程師工藝經(jīng)驗積累，國內(nèi)企業(yè)有望實現(xiàn)彎道超車，享受行業(yè)新增長點帶來的成長紅利。那些前瞻布局碳化硅技術(shù)的優(yōu)質(zhì)企業(yè)值得重點關(guān)注。綜合來看，三安光電是國內(nèi)第三代半導(dǎo)體的重要公司。