中商情报网讯：半导体衬底材料包括硅材料和砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体材料。硅是目前技术最成熟、使用范围最广、市场占比最大的衬底材料，近年来随着材料制备技术与下游应用市场的成熟，以碳化硅为代表的第三代半导体衬底材料市场规模持续扩大。
一、第三代半导体衬底材料概况
第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、5G基站、卫星等新兴领域的理想材料。
具体对比情况如下图所示：
资料来源：中商产业研究院整理
二、碳化硅晶片产业链
第三代半导体材料中，受技术与工艺水平限制，氮化镓材料作为衬底实现规模化应用仍面临挑战，其应用主要是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片为衬底，通过外延生长氮化镓以制造氮化镓器件。相比而言，近年来碳化硅晶片作为衬底材料的应用逐步成熟并进入产业化阶段，以碳化硅晶片为衬底的下游产业链图示如下：
资料来源：中商产业研究院整理
以碳化硅晶片为衬底，通常使用化学气相沉积（CVD）方法，在晶片上淀积一层单晶形成外延片。其中，在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片，可进一步制成功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于5G通讯、雷达等领域。
三、碳化硅晶片下游应用分析
1.功率器件
现有的功率器件大多基于硅半导体材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐渐接近极限，难以满足迅速增长和变化的电能应用新需求。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。
经过近30年研究和开发，碳化硅衬底和功率器件制造技术在近年逐步成熟，并快速推广应用，正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革。碳化硅功率器件的应用领域如下图所示：
资料来源：Yole Development
根据IC Insights《2019 年光电子、传感器、分立器件市场分析与预测报告》， 2018 年全球功率器件的销售额增长率为14%，达到163亿美元。未来，随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速发展，全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。预计2018 至2023 年期间，全球功率器件的销售额复合年增长率达到 3.3%，2023 年全球功率器件收入将达到 192 亿美元。
根据 IHS Markit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约3.9 亿美元，受新能源汽车庞大需求的驱动，以及电力设备等领域的带动，预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。
数据来源：IHS Markit
2.新能源汽车
碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率，目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。
3.光伏发电
在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅MOSFET 或碳化硅MOSFET 与碳化硅SBD 结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50 倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。预计2025年全球光伏逆变器中碳化硅功率器件占比将达50%。
数据来源：CASA、中商产业研究院整理
4.轨道交通
牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，提升系统的整体效能。
预计2030年全球轨道交通中硅基IGBT器件占比达70%，混合碳化硅器件占比达17%，全碳化硅器件占比达5%，碳化硅分立器件占比达8%。并预计于2050年，全碳化硅器件快速发展，占比将增至40%。
数据来源：CASA、中商产业研究院整理
5.射频器件
5G 通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，突破了砷化镓和硅基LDMOS 器件的固有缺陷，能够满足5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。
数据来源：Analog Dialogue
随着全球 5G 通讯技术的发展和推广，5G 基站建设将为射频器件带来新的增长动力。据Yole Development 预测，2025 年全球射频器件市场将超过250 亿美元，其中射频功率放大器市场规模将从2018 年的60 亿美元增长到2025 年的104 亿美元，而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着 5G市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。
数据来源：Yole Development
