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      特斯拉領軍,半導體新材料碳化硅需求起飛

      本文精編自:中泰證券《寬禁帶半導體行業深度:SiC 與 GaN 的興起與未來》

      摘要:自從特斯拉 Tesla 推出 Model 3,在逆變器模組上采用碳化硅后,碳化硅這類新型半導體材料越來越受重視。碳化硅具有高功率、耐高壓、耐高溫等優點,在未來「新基建」,「數字基建」有著巨大的商業前景。

      特斯拉領軍,半導體新材料碳化硅需求起飛

      電動車已成為汽車市場主流,多數電動車仍是以硅材料的IGBT來作逆變器芯片模組,是功率半導體在電動車領域的技術主流。但自從特斯拉Tesla推出Model3,采用以24個碳化硅 MOSFET為功率模塊的逆變器后,碳化硅(SiC)這類新型半導體材料越來越受重視。

      目前碳化硅器件在電動車上應用主要是功率控制單元、逆變器、DC-DC 轉換器、車載充電器等方面。2015年,汽車巨頭豐田便展示了全碳化硅模組的PCU。相比之下,碳化硅PCU僅為傳統硅PCU的體積的1/5,重量減輕35%,電力損耗從20%降低到5%,提升混動車10%以上的經濟性,經濟社會效益十分明顯。

      根據IHSMarkit數據,2018年碳化硅功率器件市場規模約3.9億美元,受新能源汽車龐大需求的驅動,以及電力設備等領域的帶動,預計到2027年碳化硅功率器件的市場規模將超過100億美元,碳化硅襯底的市場需求也將大幅增長。

      新一代黃金賽道,得碳化硅者得天下

      碳化硅到底是何方神圣?碳化硅是一種寬禁帶半導體材料,屬于第三代半導體材料,其禁帶寬度高達3.0eV,相比第一代半導體材料硅,碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍;導熱率為硅的4-5倍;擊穿電壓為硅的8倍;電子飽和漂移速率為硅的2倍。

      碳化硅具有高功率、耐高壓、耐高溫、高頻、低能耗、抗輻射能力強等優點,未來將廣泛應用于新能源汽車、5G通訊、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域,在未來「新基建」,「數字基建」有著巨大的商業前景。

      同時,目前碳化硅領域國內外差距較傳統硅基行業小,具有「換道超車」的機會,成為各方都十分看好的賽道,堪稱半導體產業內新一代「黃金賽道」。

      但碳化硅也有巨大的痛點:短缺且昂貴,常常有價無市。

      目前傳統硅基產業極其成熟的商業環境,至少有一大半原因是硅材料較為容易得到。硅材料成熟且高效的制備技術使得硅材料目前十分低廉,目前6英寸硅拋光片僅150元,8英寸300元,12英寸850元左右。用直拉法生產硅晶片,72小時能生長出2-3米左右的硅單晶棒,一根單晶棒一次能切下上千片硅片。

      目前最快的碳化硅單晶生長的方法,生長速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右,因此72小時也僅有7.2mm~14.4mm厚度的晶體。只有幾厘米都不到!目前4英寸碳化硅售價在4000-5000元左右,6英寸更是達到8000-10000元的水平。

      因此國內外下游廠家,紛紛和科銳(Cree)等碳化硅龍頭簽訂長期合約鎖定產能。

      碳化硅產業鏈

      SiC 生產過程分為 SiC 單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟,對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組三大環節。

      SiC襯底:SiC晶體通常用Lely法制造,國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡,且已經開發出8英寸導電型襯底產品,國內襯底以4英寸為主。由于現有的6英寸的硅晶圓產線可以升級改造用于生產SiC器件,所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長時間。

      SiC外延:通常用化學氣相沉積(CVD)方法制造,根據不同的摻雜類型,分為n型、p型外延片。國內瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。

      SiC器件:國際上600~1700V SiC SBD、MOSFET已經實現產業化,主流產品耐壓水平在1200V以下,封裝形式以TO封裝為主。價格方面,國際上的SiC產品價格是對應Si產品的5~6倍,正以每年10%的速度下降,隨著上游材料器件紛紛擴產上線,未來2~3年后市場供應加大,價格將進一步下降,預計價格達到對應Si產品2~3倍時,由系統成本減少和性能提升帶來的優勢將推動SiC逐步占領Si器件的市場空間。

      碳化硅市場格局

      目前,碳化硅晶片產業格局呈現美國全球獨大的特點。以導電型產品為例,2018年美國占有全球碳化硅晶片產量的70%以上,僅CREE公司就占據一半以上市場份額,剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業占據。其中,國內天科合達以1.7%的市場占有率排名全球第六、國內第一。

      科銳(Cree):全球第一

      在碳化硅功率器件市場,Wolfspeed占據市場最大的份額。Wolfspeed雖然目前是Cree三大部門(LED、LED照明應用、Wolfspeed)中體量最小的,但已經是公司最核心的業務部門。Wolfspeed 2018 年實現營收 3.29 億美元,同比增長 25.47%;毛利率高達 47%。

      根據公開業績說明會,Wolfspeed 的目標是在 2022 年收入番兩番,達到 8.5 億美元,屆時將成為 Cree 最大的收入來源。在 Wolfspeed 看來,到 2022年只要有25%的目標市場轉換為SiC和GaN,就將是20億美元的市場,是現今市場的 8 倍,公司為極具潛力的 SiC 和 GaN 已經做好了準備。

      天科合達:國內第一

      天科合達自2006年成立以來,2020年7月14日申請科創板上市,一直專注于碳化硅晶體生長和單晶片生產領域,先后研制出2英寸、3英寸、4英寸碳化硅襯底,于2014年在研制出6英寸碳化硅單晶片,并已形成規模化生產能力,工藝技術水平處于國內領先地位,堪稱碳化硅的「明日之星」。此外,中科院物理所、大基金、華為的哈勃投資等均為天科合達的股東之一。

      編輯/jasonzeng

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