2021年全球及中國半絕緣型碳化硅行業(yè)市場分析預(yù)測及不同應(yīng)用領(lǐng)域市場規(guī)模前景研究

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??1、半導(dǎo)體材料行業(yè)概述：半導(dǎo)體是指在常溫下導(dǎo)電性能介于絕緣體與導(dǎo)體之間的材料。常見的半導(dǎo)體包括硅、鍺等元素半導(dǎo)體及砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體。半導(dǎo)體可以分為四類產(chǎn)品，分別是集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器。半導(dǎo)體是電子產(chǎn)品的核心，是信息產(chǎn)業(yè)的基石，亦被稱為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”。半導(dǎo)體產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)、電力電子、醫(yī)療電子、工業(yè)電子、軍工航天等行業(yè)。

??半導(dǎo)體行業(yè)是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，具有技術(shù)難度高、投資規(guī)模大、產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)長、產(chǎn)品種類多、更新迭代快、下游應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)鏈包含設(shè)計(jì)、制造和封裝測試環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體材料和設(shè)備屬于芯片制造、封測的支撐性行業(yè)。

中金企信國際咨詢公布《2021-2027年中國半絕緣型碳化硅行業(yè)市場發(fā)展態(tài)勢及投資前景可行性報(bào)告》

??2、寬禁帶半導(dǎo)體材料簡介：常見的半導(dǎo)體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體及砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體材料。從被研究和規(guī)?；瘧?yīng)用的時(shí)間先后順序來看，上述半導(dǎo)體材料被業(yè)內(nèi)通俗地劃分為三代。

??第一代半導(dǎo)體材料以硅和鍺等元素半導(dǎo)體為代表，其典型應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中。硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點(diǎn)決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率；且其帶隙寬度較窄，飽和電子遷移率較低，不利于研制高頻和高功率電子器件。

??第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵為代表，砷化鎵材料的電子遷移率約是硅的6倍,具有直接帶隙，故其器件相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能，因此被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的關(guān)鍵襯底材料。

??由于第二代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不夠大，擊穿電場較低，限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，由于砷化鎵材料的毒性，可能引起環(huán)境污染問題，對人類健康存在潛在的威脅。

??第三代半導(dǎo)體材料是指以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，適用于高電壓、高頻率場景，此外，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。

??值得注意的是，前述三代半導(dǎo)體材料各有利弊，并無絕對的替代關(guān)系，而是在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢。

中金企信國際咨詢公布《2021-2027年中國半導(dǎo)體材料行業(yè)市場監(jiān)測及投資環(huán)境評估預(yù)測報(bào)告》

三代半導(dǎo)體材料的指標(biāo)參數(shù)對比分析

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?（1）碳化硅：根據(jù)《中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)：新材料（第三代半導(dǎo)體材料）》，與硅相比，碳化硅擁有更為優(yōu)越的電氣特性：

??①耐高壓：擊穿電場強(qiáng)度大，是硅的10倍，用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，并大大降低器件的導(dǎo)通損耗。

??②耐高溫：半導(dǎo)體器件在較高的溫度下，會(huì)產(chǎn)生載流子的本征激發(fā)現(xiàn)象，造成器件失效。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高。碳化硅的禁帶接近硅的3倍，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過300℃，而碳化硅器件的極限工作溫度可以達(dá)到600℃以上。

??同時(shí)，碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高，高熱導(dǎo)率有助于碳化硅器件的散熱，在同樣的輸出功率下保持更低的溫度，碳化硅器件也因此對散熱的設(shè)計(jì)要求更低，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。

??③實(shí)現(xiàn)高頻的性能：碳化硅的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍，這決定了碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度?；谶@些優(yōu)良的特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。

?（2）氮化鎵：氮化鎵具有寬禁帶、高電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、耐高電壓、耐高溫、抗腐蝕、耐輻照等突出優(yōu)點(diǎn)。氮化鎵器件已有眾多應(yīng)用：在光電子器件領(lǐng)域，氮化鎵器件作為LED照明光源已廣泛應(yīng)用，還可制備成氮化鎵基激光器；在微波射頻器件方面，氮化鎵器件可用于有源相控陣?yán)走_(dá)、無線電通信、基站、衛(wèi)星等軍事或者民用領(lǐng)域；氮化鎵也可用于功率器件，其比傳統(tǒng)器件具有更低的電源損耗。

??3、碳化硅襯底類型：襯底電學(xué)性能決定了下游芯片功能與性能的優(yōu)劣。半導(dǎo)體材料之所以成為芯片的基底材料，主要因其電學(xué)性能的可調(diào)控性，即通過引入特定種類、特定數(shù)量的雜質(zhì)原子，在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生特定濃度的載流子，從而實(shí)現(xiàn)襯底特定的電學(xué)性能。

??為使材料能滿足不同芯片的功能要求，需要制備電學(xué)性能不同的碳化硅襯底。按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為兩類：根據(jù)工信部發(fā)布的《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》，一類是具有高電阻率（電阻率≥105Ω·cm）的半絕緣型碳化硅襯底，另一類是低電阻率（電阻率區(qū)間為15~30mΩ·cm）的導(dǎo)電型碳化硅襯底。

??4、碳化硅材料產(chǎn)業(yè)鏈

?（1）下游產(chǎn)業(yè)鏈情況：以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應(yīng)用市場。在碳化硅襯底上，主要使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）在襯底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，進(jìn)一步制成器件。

碳化硅襯底的下游產(chǎn)業(yè)鏈分析

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??①半絕緣型碳化硅襯底：半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成氮化鎵射頻器件。

??②導(dǎo)電型碳化硅襯底：導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造各類功率器件。

?（2）半絕緣型碳化硅襯底在射頻器件上的應(yīng)用：

??①主要應(yīng)用情況及其優(yōu)勢：射頻器件在無線通訊中扮演信號轉(zhuǎn)換的角色，是無線通信設(shè)備的基礎(chǔ)性零部件，主要包括功率放大器、濾波器、開關(guān)、低噪聲放大器、雙工器等。半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件主要為面向通信基站以及雷達(dá)應(yīng)用的功率大器。

??目前主流的射頻器件有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類型，其中，砷化鎵器件已在功率放大器上得到廣泛應(yīng)用；硅基LDMOS器件也已在通訊領(lǐng)域應(yīng)用多年，但其主要應(yīng)用于小于4GHz的低頻率領(lǐng)域；碳化硅基氮化鎵射頻器件具有良好的導(dǎo)熱性能、高頻率、高功率等優(yōu)勢，有望開啟其廣泛應(yīng)用。氮化鎵射頻器件是迄今為止最為理想的微波射頻器件，因此成為4G/5G移動(dòng)通訊系統(tǒng)、新一代有源相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的核心微波射頻器件。

??氮化鎵射頻器件正在取代LDMOS在通信宏基站、雷達(dá)及其他寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)對數(shù)據(jù)流量、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長，氮化鎵器件在基站中應(yīng)用越來越廣泛。預(yù)測到2025年功率在3W以上的射頻器件市場中，砷化鎵器件市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場約50%的份額。

中金企信國際咨詢公布《2021-2027年中國氮化鎵射頻器件行業(yè)市場調(diào)查研究及投資潛力預(yù)測報(bào)告》

??目前，氮化鎵射頻器件主要基于碳化硅、硅等異質(zhì)襯底外延材料制備的，并在未來一段時(shí)期也是主要選擇。相比較硅基氮化鎵，碳化硅基氮化鎵外延主要優(yōu)勢在其材料缺陷和位錯(cuò)密度低。碳化硅基氮化鎵材料外延生長技術(shù)相對成熟，且碳化硅襯底導(dǎo)熱性好，適合于大功率應(yīng)用，同時(shí)襯底電阻率高降低了射頻損耗，因此碳化硅基氮化鎵射頻器件成為目前市場的主流。根據(jù)中金企信國際咨詢統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，90%左右的氮化鎵射頻器件采用碳化硅襯底制備。

??②主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況：碳化硅基氮化鎵射頻器件已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，以無線通信基礎(chǔ)設(shè)施和國防應(yīng)用為主。無線通信基礎(chǔ)設(shè)施方面，5G具有大容量、低時(shí)延、低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，要求射頻器件擁有更高的線性和更高的效率。相比砷化鎵和硅基LDMOS射頻器件，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具有碳化硅良好的導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能，成為5G基站功率放大器的主流選擇。在國防軍工領(lǐng)域，碳化硅基氮化鎵射頻器件已經(jīng)代替了大部分砷化鎵和部分硅基LDMOS器件，占據(jù)了大部分市場。對于需要高頻高輸出的衛(wèi)星通信應(yīng)用，氮化鎵器件也有望逐步取代砷化鎵的解決方案。

??③主要應(yīng)用領(lǐng)域的市場規(guī)模：隨著通信基礎(chǔ)建設(shè)和軍事應(yīng)用的需求發(fā)展，全球氮化鎵射頻器件市場規(guī)模將持續(xù)增長，從2019年的7.4億美元增長至2025年的20億美元，期間年均復(fù)合增長率達(dá)到18%。半絕緣型碳化硅襯底的需求量有望因此獲益而持續(xù)增長。

?（3）導(dǎo)電型碳化硅襯底在功率器件上的應(yīng)用：

??①主要應(yīng)用情況及其優(yōu)勢：功率器件又被稱為電力電子器件，是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件。功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET與硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅減小至原來的1/10，導(dǎo)通電阻可至少降低至原來的1/100。相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET較硅基IGBT的總能量損耗可大大降低70%。

??碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。

??②主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況

??A、電動(dòng)汽車/充電樁：電動(dòng)汽車行業(yè)是未來市場空間巨大的新興市場，全球范圍內(nèi)新能源車的普及趨勢明朗。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，對功率半導(dǎo)體器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

??電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（On-boardcharger，OBC）、車載DC/DC及非車載充電樁。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性，在車載級的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、OBC及DC/DC部分，碳化硅器件的使用已經(jīng)比較普遍。對于非車載充電樁產(chǎn)品，由于成本的原因，目前使用比例還相對較低，但部分廠商已開始利用碳化硅器件的優(yōu)勢，通過降低冷卻等系統(tǒng)的整體成本找到了利基市場。

??目前，碳化硅功率器件已被國際知名車企應(yīng)用在其電動(dòng)汽車上。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主逆變器負(fù)責(zé)控制電動(dòng)機(jī)，是汽車的關(guān)鍵元器件，特斯拉Model3的主逆變器采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的24個(gè)碳化硅MOSFET功率模塊，是全球第一家將碳化硅MOSFET應(yīng)用于商用車主逆變器的OEM廠商。2020年12月，豐田汽車推出并公開發(fā)售“Mirai”燃料電池電動(dòng)汽車，是豐田汽車首次開始使用碳化硅功率器件。根據(jù)碳化硅器件特點(diǎn)和電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢，碳化硅器件是未來電動(dòng)汽車的必然之選。

??B、光伏新能源：光伏逆變器曾普遍采用硅器件，經(jīng)過40多年的發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率和功率密度等已接近理論極限。碳化硅器件具有低損耗、高開關(guān)頻率、高適用性、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)點(diǎn)，將在光伏新能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里，碳化硅器件在系統(tǒng)級層面帶來成本和效能的好處。陽光電源等光伏逆變器龍頭企業(yè)已將碳化硅器件應(yīng)用至其組串式逆變器中。

??C、軌道交通：碳化硅功率器件在軌道交通行業(yè)得到重要應(yīng)用。未來軌道交通對電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。目前，受限于碳化硅功率器件的電流容量，碳化硅混合模塊將首先開始替代部分硅IGBT模塊。未來隨著碳化硅器件容量的提升，全碳化硅模塊將在軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

??D、智能電網(wǎng)：目前碳化硅器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開始了應(yīng)用。未來更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電將對萬伏級以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置中。

??③主要應(yīng)用領(lǐng)域的市場規(guī)模：2019年碳化硅功率器件的市場規(guī)模為5.41億美元，受益于電動(dòng)汽車/充電樁、光伏新能源等市場需求驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)2025年將增長至25.62億美元，復(fù)合年增長率約30%。碳化硅襯底的需求有望因此獲益并取得快速增長。

??5、碳化硅襯底的發(fā)展情況：

?（1）碳化硅襯底的尺寸演進(jìn)：碳化硅襯底的尺寸（按直徑計(jì)算）主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）等規(guī)格。碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)公司主要量產(chǎn)產(chǎn)品尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技術(shù)研發(fā)儲備上，以行業(yè)領(lǐng)先者科銳公司的研發(fā)進(jìn)程為例，科銳公司已成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品。

??為提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低。襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。在半絕緣型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為4英寸。在導(dǎo)電型碳化硅市場，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為6英寸。

?（2）碳化硅襯底市場規(guī)模和發(fā)展態(tài)勢：用于氮化鎵外延的半絕緣型碳化硅襯底市場規(guī)模取得較快增長，全球市場規(guī)模由2019年的1.54億美元增長至2020年1.82億美元，增幅達(dá)17.88%。得益于5G基站建設(shè)和雷達(dá)下游市場的大量需求，至2023年，半絕緣型碳化硅襯底市場將保持快速增長。

中金企信國際咨詢公布《2021-2027年中國碳化硅襯底市場監(jiān)測調(diào)查分析與投資戰(zhàn)略咨詢預(yù)測報(bào)告》

??導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模取得較快增長，2018年至2020年，全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場規(guī)模從1.73億美元增長至2.76億美元，復(fù)合增長率為26.36%。受益于碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車等下游應(yīng)用的增長，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場未來將快速發(fā)展。相對硅片全球市場規(guī)模已達(dá)上百億美元，碳化硅襯底的全球市場銷售額仍較小，主要系碳化硅行業(yè)供給側(cè)成本仍較高，制約了目前的市場購買力和需求的釋放。未來，隨著碳化硅襯底和器件制造行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，制造成本有望持續(xù)下降，碳化硅器件和系統(tǒng)有望顯示出競爭力并在下游行業(yè)得到廣泛應(yīng)用并快速發(fā)展，從而帶動(dòng)整體需求和市場規(guī)模的快速發(fā)展。