碳化硅前景广阔,国内碳化硅企业全力赶超

时间:2021-01-17 15:11:29 作者:自由投
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以下为半导体碳化硅前景广阔,国内碳化硅企业全力赶超内容:


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以碳化硅为代表的第三代半导体具有出色的性能,例如高频、高效率、高输出、耐高压、耐高温和强抗辐射性,众多特点切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求,它们支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车等产业自主创新发展和转型升级的中心核心材料和电子元器件,已成为全球半导体技术和产业竞争焦点。


碳化硅性能优势明显

由于碳化硅的禁止宽度是硅的三倍,所以碳化硅器件的泄漏电流明显小于硅器件的泄漏电流,从而降低了功率损耗。其次,碳化硅能耐高压,并且其击穿电场强度是硅的十倍以上。最后,碳化硅能耐高温。 碳化硅的热导率比硅更高,这使其更易于散发器件的热量。 但是,目前各种碳化硅器件的成本是硅基器件的2.4-8倍,其中衬底成本和外延成本最高,分别占47%和23%。

从全球碳化硅衬底市场格局来看,美国的CREE在2018年以62%的市场份额领先,其次是美国的II-VI,市场份额约为16%。 总体而言,美国制造商主导着碳化硅市场。

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电动汽车推动碳化硅市场爆发

第三代半导体另一个重要产品碳化硅,则将受益于电动汽车行业的快速成长而迎来爆发机会。

随着新能源汽车的发展,对功率半导体器件的需求日益增长。数据显示,传统燃料汽车中,半导体器件的平均价值为355美元,而新能源汽车中,半导体器件的价值为695美元,几乎翻了一番,其中,功率器件的增长最为显著,从17美元增加到265美元,增长幅度近15倍。目前市场上,用于新能源汽车的大多数功率半导体都是硅基器件,例如硅基IGBT和硅基MOSFET。随着技术和产品的成熟,第三代半导体将逐渐取代大多数硅基产品,市场对碳化硅的需求量越来越大。

在2019年,以碳化硅为代表的第三代半导体电力电子设备应用在电动汽车领域取得了快速进展。全球有20多家汽车制造商在其车载充电器中使用碳化硅器件。特斯拉Model 3逆变器使用ST Microelectronics的全碳化硅功率模块。各汽车制造商都计划于未来几年内将碳化硅电力电子器件用于主逆变器中。在充电基础设施方面,台达联手通用等合作开发,将碳化硅功率半导体器件应用于400KW的拆快读充电器中。在电驱动方面,Cree联手,双方都已达成战略合作协议,促进使用基于碳化硅的逆变器开发电驱动动力总成。


碳化硅在光伏产业中的应用

太阳能应用中,基于硅器件的传统逆变器的成本约占系统的10%,但却是导致系统能量损耗的主要原因之一。将碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器可将转换效率从96%提高到99%以上,能源消耗有50%以上的降幅,并且设备使用寿命能够提升50%,达到减少系统体积、增加功率密度、延长设备寿命和降低制造成本的效果。高效率、高功率密度,高可靠性和低成本是太阳能逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中,碳化硅产品有望逐步取代硅基器件。

碳化硅前景广阔,国内碳化硅企业全力赶超

碳化硅产业链依次为上游衬底,中游外延晶片制造,下游器件制造。从整个碳化硅产业来看,美国、日本和欧洲是产业内部的三老巨头。其中,美国全球独大,占世界碳化硅产量的70%至80%。CREE在碳化硅晶片市场中的市场份额高达60%;欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件和应用程序的产业链,并且在全球电力电子市场中拥有较强的影响力。日本是设备和模块开发方面的绝对领导者。自上世纪八十年代以来,美国、日本和欧洲等发达国家一直将宽禁带半导体技术置于极其重要的战略地位,以保持在航空航天、军事和技术上的领先地位。这些国家和地区在碳化硅半导体领域,已走在世界前列。碳化硅半导体器件产业化主要以英飞凌、Cree公司、GE和罗姆公司、丰田公司等为代表。


国内碳化硅半导体企业正全力赶超

与美日欧相比之下,我国碳化硅企业在技术、产能等方面虽然仍有欠缺,国内拥有全球最大的消费市场,增长速度高于世界平均水平。国第三代半导体产业从 2015 年开始高速增长,从终端市场看未来应用将广泛扩展到人工智能、新能源汽车、自动驾驶、5G 技术、车联网等领域。第三代半导体器件在新兴应用领域的渗透迅猛,国内市场化进度显著快于国外。当前我国碳化硅产业链已初具规模,具备将碳化硅产业化的基础,国内企业有望在本土市场应用中实现弯道超车,一些代表性的企业如天科合达、山东天岳、河北同光等竞争力不断提高。

碳化硅半导体具有广泛的潜在应用,在新能源汽车、太阳能发电和其他电力相关领域均具有潜在价值。随着下游行业对具有轻量化、高转换效率和低发热特性的半导体功率器件的需求不断增长,工业发展不可避免地要用碳化硅代替功率器件中的硅。然而,碳化硅单晶和外延材料的高成本、材料缺陷等问题尚未完全解决,制造难度高,不成熟的器件封装无法满足高频和高温应用的需求,全球碳化硅技术与产业距离成熟尚有一定的差距,因此碳化硅器件市场的扩张步伐在一定程度上受到限制。

碳化硅材料具有出色的耐热性、耐腐蚀性和导热性,应用前景非常广阔。作为第三代半导体材料,碳化硅得到外界越来越多的关注和重视,现已成为国内外研究热点。未来发展空间不可限量。在各国加紧布置的同时,国内也需要加快碳化硅半导体的整体研究与开发,创建一个独立且具有国际竞争力的碳化硅材料和器件产业。


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