以碳化硅为代表的第三代半导体材料为半导体产业发展带来新机遇
思瀚产业研究院    2022-09-14

碳化硅衬底是新近发展的宽禁带半导体的核心材料，以其制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，具有开关速度快、效率高的优势，可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积。

目前，碳化硅半导体主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。

同时，我国“十四五”规划已将碳化硅半导体纳入重点支持领域，随着国家“新基建”战略的实施，碳化硅半导体将在5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心等新基建领域发挥重要作用。因此，以碳化硅为代表的宽禁带半导体是面向经济主战场、面向国家重大需求的战略性行业。

全球宽禁带半导体行业目前总体处于发展初期阶段，相比硅和砷化镓等半导体而言，在宽禁带半导体领域我国和国际巨头公司之间的整体技术差距相对较小。另外，由于宽禁带半导体的下游工艺制程具有更高的包容性和宽容度，下游制造环节对设备的要求相对较低，投资额相对较小，制约宽禁带半导体行业快速发展的关键之一在上游材料端。因此，我国若能在宽禁带半导体行业上游衬底材料行业实现突破，将有望在半导体行业实现换道超车。

以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。在碳化硅衬底上，主要使用化学气相沉积法（CVD法）在衬底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，进一步制成器件。

碳化硅衬底的下游产业链如下：

（1）碳化硅衬底的发展概况

根据Yole数据，用于氮化镓外延的半绝缘型碳化硅衬底市场规模取得较快增长，全球市场规模由2019年的1.54亿美元增长至2020年1.82亿美元，增幅达17.88%。根据Yole预计，得益于5G基站建设和雷达下游市场的大量需求，至2023年，半绝缘型碳化硅衬底市场将保持快速增长。

根据Yole数据，导电型碳化硅衬底市场规模取得较快增长，2018年至2020年，全球导电型碳化硅衬底市场规模从1.73亿美元增长至2.76亿美元，复合增长率为26.36%。根据Yole预计，受益于碳化硅功率器件在电动汽车等下游应用的增长，导电型碳化硅衬底市场未来将快速发展。

（2）碳化硅基第三代半导体器件及下游的发展概况

①碳化硅基氮化镓射频器件及应用情况

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。

根据Yole报告，随着通信基础建设和军事应用的需求发展，全球氮化镓射频器件市场规模将持续增长，预计从2019年的7.4亿美元增长至2025年的20亿美元，期间年均复合增长率达到18%。半绝缘型碳化硅衬底的需求量有望因此获益而持续增长。

②碳化硅功率器件及应用情况

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。功率器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、场效管、IGBT等。

碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势，将极大地提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率，对高效能源转换领域产生重大而深远的影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

根据Yole报告，2019年碳化硅功率器件的市场规模为5.41亿美元，受益于电动汽车/充电桩、光伏新能源等市场需求驱动，预计2025年将增长至25.62亿美元，复合年增长率约30%。碳化硅衬底的需求有望因此获益并取得快速增长。