宽禁带半导体行业SiC与GaN分析报告.docx

宽禁带半导体行业SiC与GaN分析报告.docx

《宽禁带半导体行业SiC与GaN分析报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宽禁带半导体行业SiC与GaN分析报告.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

宽禁带半导体行业SiC与GaN分析报告

2019年宽禁带半导体行业SiC与GaN分析报告

2019年10月

突破Si的瓶颈，SiC/GaN具备性能上的优势。

Si作为集成电路最基础的材料，构筑了整个信息产业的最底层支撑。

人类对Si性能的探索已经非常成熟，然而一些固有的缺点却无法逾越，如光学性能、高压高频性能等。

与此同时所谓第三代半导体（宽禁带半导体）以其恰好弥补Si的不足而逐步受到半导体行业青睐，成为继Si之后最有前景的半导体材料。

随着5G、汽车等新市场出现，SiC/GaN不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着制备技术的进步，SiC与GaN器件与模块在成本上已经可以纳入备选方案内，需求拉动叠加成本降低，SiC/GaN的时代即将迎来。

SiC：

极限功率器件的理想材料。

SiC器件相对于Si器件的优势主要来自三个方面：

降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

SiC最大的应用市场来自汽车，与传统解决方案相比，基于SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。

目前SiC器件在EV/HEV上应用主要是功率控制单元（PCU）、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等方面。

全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。

其中美国全球独大，占全球SiC产量的70%~80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链；日本是设备和模块开发方面的领先者。

中国企业在衬底、外延和器件方面均有所布局，但是体量均较小。

GaN：

5G应用的关键材料。

相较于已经发展十多年的SiC，GaN功率器件是后进者，它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力，在射频微波领域和电力电子领域都有广泛的应用。

GaN是射频器件的合适材料，特别是高频应用，这在5G时代非常重要。

电力电子方面，GaN功率器件因其高频高效率的特点而在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力。

目前GaN产业仍旧以海外企业为主，国内企业在衬底外延和设计制造领域都逐渐开始涉足，其中三安集成已经能提供成熟的GaNRF/GaNPower代工工艺。

由于SiC与GaN产业链全球来看仍处于起步阶段，国内企业更是大部分处于早期研发阶段，远未成熟，行业体量较小，重点关注已经在SiC与GaN研发上投入大量资源并且取得一定成果的公司。

映射到A股上市公司，建议关注三安光电、扬杰科技、捷捷微电。

三安光电旗下三安集成业务是国内稀缺宽禁带半导体制造企业，布局基本对标Cree，从LED芯片到LED应用，从SiC晶圆到GaN代工，三安光电的布局前瞻且具备可行性，有望在宽禁带领域延续其在LED产业的竞争力。

扬杰科技与捷捷微电均是国内功率半导体企业，在SiC功率器件研发上已经有所布局。

一、硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起

1、Si材料的历史与瓶颈

上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。

然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

随着Si材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。

第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料p型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。

第三代半导体（本文以SiC和GaN为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在2.2eV以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。

SiC与GaN相比较，前者相对GaN发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC占据统治地位；同时由于GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC或Si具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。

2、SiC/GaN：

稳定爬升的光明期

虽然学术界和产业界很早认识到SiC和GaN相对于传统Si材料的优点，但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得到应用，无法挑战Si基器件的统治地位，但是随着5G、汽车等新市场出现，SiC/GaN不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着制备技术的进步，SiC与GaN器件与模块在成本上已经可以纳入备选方案内，需求拉动叠加成本降低，SiC/GaN的时代即将迎来。

二、SiC：

极限功率器件的理想材料

1、SiC：

极限功率器件的理想的材料

SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。

C原子和Si原子不同的结合方式使SiC拥有多种晶格结构，如4H、6H、3C等等。

4H-SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。

SiC从上个世纪70年代开始研发，2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用，SiCIGBT还在研发当中。

随着6英寸SiC单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得SiC器件制备能够在目前现有6英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本，推进SiC器件和模块的普及。

SiC器件相对于Si器件的优势主要来自三个方面：

降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

降低能量损耗。

SiC材料开关损耗极低，全SiC功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于IGBT模块不擅长的高速开关工作，全SiC功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

低阻值使得更易实现小型化。

SiC材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。

更耐高温。

SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达800摄氏度，承受的温度相对Si更高；SiC材料拥有3.7W/cm/K的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

2、SiC产业链：

欧美占据关键位置

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。

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600~1700VSiCSBD、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。

全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。

其中美国全球独大，全球SiC产量的70%~80%来自美国公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

国内企业在SiC方面也多有布局。

SiC衬底方面，天科合达、山东天岳、同光晶体等均能供应3英寸~6英寸的单晶衬底。

SiC外延片方面，厦门瀚天天成与东莞天域生产3英寸~6英寸SiC外延片。

SiC器件IDM方面，中电科55所是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装领域实现全产业链的企业单位，其6英寸碳化硅中试线已投入运行，旗下的控股子公司扬州国扬电子为“宽禁带电力电子器件国家重点实验室”的重要实体单位，专业从事以碳化硅为代表的新型半导体功率模块的研制和批产，现有一条于2017年投产、产能50万只/年的模块工艺线。

泰科天润已经量产SiCSBD，产品涵盖600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A系列。

深圳基本半导体拥有独创的3DSiC技术，推出的1200VSiCMOSFET性能达到业界领先水平。

SiC器件Fabless方面，上海瞻芯电子于2018年5月成功地在一条成熟量产的6英寸工艺生产线上完成SiCMOSFET的制造流程。

代工方面，三安光电旗下的三安集成于2018年12月公布商业版本的6英寸碳SiC晶圆制造流程，并将其加入到代工组合当中。

根据公司新闻稿，目前三安SiC工艺技术可以为650V、1200V和更高额定电压的肖特基势垒二极管（SBD）提供器件结构，公司预计在不久后会推出针对900V、1200V和更高额定电压的SiCMOSFETs产品。

3、SiC市场：

汽车是最大驱动力

SiC器件正在广泛地被应用在电力电子领域中，典型市场包括轨交、功率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、充电桩、不间断电源（UPS）等。

根据Yole的预测，2017~2023年，SiC功率器件市场将以每年31%的复合增长率增长，2023年将超过15亿美元；而SiC行业龙头Cree则更为乐观，其预计短期到2022年，SiC在电动车用市场空间将快速成长到24亿美元，是2017年车用SiC整体收入（700万美元）的342倍。

SiC是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，技术也已经趋于成熟，令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。

与传统解决方案相比，基于SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。

目前SiC器件在EV/HEV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。

新能源车的功率控制单元（PCU）。

PCU是汽车电驱系统的中枢神经，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。

传统PCU使用硅基材料半导体制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。

而使用SiC则大大降低了这一过程中能量损失，将传统PCU配备的Si二极管置换成SiC二极管，SiIGBT置换成SiCMOSFET，就可以降低10%的总能量损耗，同时也可以大幅降低器件尺寸，使得车辆更为紧凑。

丰田中央研发实验室（CRDL）和电装公司从1980年代就开始合作开发SiC半导体材料，2014年双方正式发布了基于SiC半导体器件的新能源汽车PCU，是这一领域的典型代表。

车用逆变器。

SiC用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸及重量，做到轻量化与节能。

在相同功率等级下，全SiC模块的封装尺寸显著小于Si模块，同时也可以使开关损耗降低75％（芯片温度为150°C）；在相同封装下，全SiC模块具备更高电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。

特斯拉Model3采用了意法半导体（后来增加了英飞凌）生产的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。

2017年12月2日，ROHM为VENTURI车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormulaE”锦标赛第四赛季中提供了采用全SiC功率模块制造的逆变器，使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降43%，重量轻了6kg。

车载充电器。

SiC功率器件正在加速