特斯拉领军,半导体新材料碳化硅需求起飞

编辑:美肤网2020-08-02 03:30:19 关键字:特斯拉汽车,新能源汽车,技术,新能源,跟着地铁圆太原安家梦,黄金,经济

本文精编自:中泰证券《宽禁带半导体行业深度:SiC 与 GaN 的兴起与未来》

摘要:自从特斯拉 Tesla 推出 Model 3,在逆变器模组上采用碳化硅后,碳化硅这类新型半导体材料越来越受重视。碳化硅具有高功率、耐高压、耐高温等优点,在未来「新基建」,「数字基建」有着巨大的商业前景。

特斯拉领军,半导体新材料碳化硅需求起飞

电动车已成为汽车市场主流,多数电动车仍是以硅材料的IGBT来作逆变器芯片模组,是功率半导体在电动车领域的技术主流。但自从特斯拉Tesla推出Model3,采用以24个碳化硅 MOSFET为功率模块的逆变器后,碳化硅(SiC)这类新型半导体材料越来越受重视。

目前碳化硅器件在电动车上应用主要是功率控制单元、逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器等方面。2015年,汽车巨头丰田便展示了全碳化硅模组的PCU。相比之下,碳化硅PCU仅为传统硅PCU的体积的1/5,重量减轻35%,电力损耗从20%降低到5%,提升混动车10%以上的经济性,经济社会效益十分明显。

特斯拉领军,半导体新材料碳化硅需求起飞

根据IHSMarkit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。

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新一代黄金赛道,得碳化硅者得天下

碳化硅到底是何方神圣?碳化硅是一种宽禁带半导体材料,属于第三代半导体材料,其禁带宽度高达3.0eV,相比第一代半导体材料硅,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍;导热率为硅的4-5倍;击穿电压为硅的8倍;电子饱和漂移速率为硅的2倍。

特斯拉领军,半导体新材料碳化硅需求起飞

碳化硅具有高功率、耐高压、耐高温、高频、低能耗、抗辐射能力强等优点,未来将广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域,在未来「新基建」,「数字基建」有着巨大的商业前景。

同时,目前碳化硅领域国内外差距较传统硅基行业小,具有「换道超车」的机会,成为各方都十分看好的赛道,堪称半导体产业内新一代「黄金赛道」。

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但碳化硅也有巨大的痛点:短缺且昂贵,常常有价无市。

目前传统硅基产业极其成熟的商业环境,至少有一大半原因是硅材料较为容易得到。硅材料成熟且高效的制备技术使得硅材料目前十分低廉,目前6英寸硅抛光片仅150元,8英寸300元,12英寸850元左右。用直拉法生产硅晶片,72小时能生长出2-3米左右的硅单晶棒,一根单晶棒一次能切下上千片硅片。

目前最快的碳化硅单晶生长的方法,生长速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右,因此72小时也仅有7.2mm~14.4mm厚度的晶体。只有几厘米都不到!目前4英寸碳化硅售价在4000-5000元左右,6英寸更是达到8000-10000元的水平。

因此国内外下游厂家,纷纷和科锐(Cree)等碳化硅龙头签订长期合约锁定产能。

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碳化硅产业链

SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。

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SiC衬底:SiC晶体通常用Lely法制造,国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡,且已经开发出8英寸导电型衬底产品,国内衬底以4英寸为主。由于现有的6英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产SiC器件,所以6英寸SiC衬底的高市占率将维持较长时间。

SiC外延:通常用化学气相沉积(CVD)方法制造,根据不同的掺杂类型,分为n型、p型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。

SiC器件:国际上600~1700V SiC SBD、MOSFET已经实现产业化,主流产品耐压水平在1200V以下,封装形式以TO封装为主。价格方面,国际上的SiC产品价格是对应Si产品的5~6倍,正以每年10%的速度下降,随着上游材料器件纷纷扩产上线,未来2~3年后市场供应加大,价格将进一步下降,预计价格达到对应Si产品2~3倍时,由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动SiC逐步占领Si器件的市场空间。

碳化硅市场格局

目前,碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大的特点。以导电型产品为例,2018年美国占有全球碳化硅晶片产量的70%以上,仅CREE公司就占据一半以上市场份额,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。其中,国内天科合达以1.7%的市场占有率排名全球第六、国内第一。

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科锐(Cree):全球第一

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在碳化硅功率器件市场,Wolfspeed占据市场最大的份额。Wolfspeed虽然目前是Cree三大部门(LED、LED照明应用、Wolfspeed)中体量最小的,但已经是公司最核心的业务部门。Wolfspeed 2018 年实现营收 3.29 亿美元,同比增长 25.47%;毛利率高达 47%。

根据公开业绩说明会,Wolfspeed 的目标是在 2022 年收入番两番,达到 8.5 亿美元,届时将成为 Cree 最大的收入来源。在 Wolfspeed 看来,到 2022年只要有25%的目标市场转换为SiC和GaN,就将是20亿美元的市场,是现今市场的 8 倍,公司为极具潜力的 SiC 和 GaN 已经做好了准备。

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天科合达:国内第一

天科合达自2006年成立以来,2020年7月14日申请科创板上市,一直专注于碳化硅晶体生长和单晶片生产领域,先后研制出2英寸、3英寸、4英寸碳化硅衬底,于2014年在研制出6英寸碳化硅单晶片,并已形成规模化生产能力,工艺技术水平处于国内领先地位,堪称碳化硅的「明日之星」。此外,中科院物理所、大基金、华为的哈勃投资等均为天科合达的股东之一。

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编辑/jasonzeng

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