2022年半導體行業報告: SiC全產業鏈拆解, 新能源下一代浪潮之基

報告出品/作者：財通證券、張益敏、吳姣晨

以下為報告原文節選

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1. SiC 效能優異，材料升級勢在必行

SiC 是第三代寬禁帶半導體材料，在禁頻寬度、擊穿場強、電子飽和漂移速度等物理特性上較 Si 更有優勢，製備的 SiC 器件如二極體、電晶體和功率模組具有更優異的電氣特性，能夠克服矽基無法滿足高功率、高壓、高頻、高溫等應用要求的缺陷，也是能夠超越摩爾定律的突破路徑之一，因此被廣泛應用於新能源領域（光伏、儲能、充電樁、電動車等）。

1.1. 什麼是 SiC

半導體材料按被研究和規模化應用的時間先後順序通常分為三代。

第一代：

20 世紀 40 年代，矽（Si）、鍺（Ge）開始應用，矽的自然儲量大、製備工藝簡單，是當前產量最大、應用最廣的半導體材料，應用於積體電路，涉及工業、商業、交通、醫療、軍事等人類生產生活的各個環節，但在高頻高功率器件和光電子器件應用上存在較大瓶頸。

第二代：

20 世紀 60 年代，砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）在光電子、微電子、射頻領域被用以製作高速高頻、大功率以及發光電子器件，能夠應用於衛星通訊、行動通訊、光通訊、GPS 導航等。由於 GaAs、InP 材料資源稀缺、價格昂貴、有毒性、汙染環境，使得第二代半導體材料的應用具有一定的侷限性。

第三代：

20 世紀 80 年代，碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石（C）等為代表的寬禁帶（Eg＞2。3eV）半導體迅速發展，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，滿足高電壓、高頻率場景，應用於高電壓功率器件、5G 射頻器件等領域。

與 Si 材料相比， SiC 主要優勢在於：

1）SiC 具有 3 倍於 Si 的禁頻寬度，能減少漏電並提高耐受溫度。

2）SiC 具有 10 倍於 Si 擊穿場強，能提高電流密度、工作頻率、耐壓容量並減低導通損耗，更適合高壓應用。

3）SiC 具有 2 倍於 Si 的電子飽和漂移速度，所以可工作頻率更高。

4）SiC 具有 3 倍於 Si 的熱導率，散熱效能更好，能夠支援高功率密度並降低散熱要求，使得器件更輕量化。

因此，SiC 材料具有明顯的材料效能優勢，能滿足現代電子對高溫、高功率、高壓、高頻、抗輻射等惡劣條件要求，適用於 5G 射頻器件和高電壓功率器件，滿足新能源領域（光伏、儲能、充電樁、電動車等）對於輕量化、高能效、高驅動力等要求。

.2. 我們為什麼要用 SiC 做器件

SiC 器件包括二極體、電晶體和功率模組。

2001 年英飛凌最先發布 SiC JBS 產品；2008 年 Semisouth 釋出了第一款常關型的 SiC JFET 器件；2010 年ROHM 公司首先量產 SiC MOSFET 產品；2011 年 Cree 公司開始銷售 SiC MOSFET 產品，2015 年 ROHM 繼續最佳化推出了溝槽柵 MOSFET。目前，SiC SBD 二極體和 MOSFET 電晶體目前應用最廣泛、產業化成熟度最高，SiC IGBT 和 GTO 等器件由於技術難度更大，仍處於研發階段，距離產業化有較大的差距。

SiC 器件因其材料特性表現優越電氣效能：

1 ）導通、開關/ / 恢復損耗更低：

寬頻隙使得 SiC 器件漏電流更少，並且在相同耐壓條件下，SiC 器件的導通電阻約為矽基器件的 1/200，因此導通損耗更低；Si FRD 和 Si MOSFET 從正向偏置切換到反向偏置的瞬間會產生極大的瞬態電流，過渡到反向偏置狀態會產生很大損耗。而 SiC SBD 和 SiC MOSFET 是多數載流子器件，反向恢復時只會流過結電容放電程度的較小電流。並且，該瞬態電流幾乎不受溫度和正向電流的影響，無論在何種環境條件下都可以實現穩定快速（小於 20ns）的反向恢復。根據 ROHM，SiC MOSFET+SBD 的模組可以將開通損耗（Eon）減小 34%，

因此恢復損耗低；

SiC 器件在關斷過程中不存在電流拖尾現象，根據 ROHM ， SiC MOSFET+SBD 的模組可以將關斷損耗（Eoff）減小 88%，

因此開關損耗更低。

2 ）器件得以小型化：

SiC 禁頻寬度決定了它能夠以更高的摻雜濃度、更薄的膜厚漂移層製作出 600V以上的高壓功率器件（對於相同耐壓的產品、同樣的導通電阻，晶片尺寸更小）；SiC 飽和電子漂移速率高，所以 SiC 器件能實現更高的工作頻率和更高的功率密度，因頻率的提升減少了電感、變壓器等外圍元件體積，從而降低了組成系統後的體積及其他元件成本。

SiC 帶隙寬並且導熱率顯著，不僅在高溫條件下也能穩定工作，器件散熱更容易，因此對散熱系統要求更低。

3 ）SiC 器件熱穩定：

SiC SBD 與 Si FRD 開啟電壓都小於 1V，但 SiC SBD 的溫度依存性與 Si FRD不同：溫度越高，導通阻抗就會增加，VF 值會變大，不易發生熱失控，提升系統的安全性和可靠性。同等溫度條件下，IF=10A 時 SiC 與矽二極體正向導通電壓比對，SiC 肖特基二極體的導通壓降為 1。5V，矽快速恢復二極體的導通壓降為 1。7V，SiC 材料效能好於矽材料。

此外，Si MOSFET 的漂移層電阻在溫升 100℃時會變為原來 2 倍，但 SiC MOSFET 的漂移層電阻佔比小，其他電阻如溝道電阻在高溫時會稍微下降，n+基板的電阻幾乎沒有溫度依存性，因此在高溫條件下導通電阻也不容易升高。

超越摩爾定律，新材料是突破路徑之一。

矽基器件逼近物理極限，摩爾定律接近效能極限。SiC 器件作為功率器件材料端的技術迭代產品出現，能夠克服矽基無法滿足高功率、高壓、高頻、高溫等應用要求的缺陷。

2. 多領域需求驅動， SiC 市場規模可達 62.97 億美元

2021- 27 年全球 SiC 功率器件市場規模 CAGR 為 34%。

SiC 器件被廣泛用於新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智慧電網、國防軍工等領域。Yole 資料顯示，全球 SiC 功率器件市場規模將由 2021 年的 10。9 億美元增長至 2027 年的62。97 億美元，2021-27 年 CAGR+34%。此外，根據 CASA Research 統計，2020 年國內 SiC、GaN 電力電子器件市場規模約為 46。8 億元，較上年同比增長 90%，佔分立器件的比例為 1。6%。並且預計未來五年 SiC、GaN 將以45%的年複合增長率增至近 300 億元。

根據 Yole ，新能源汽車、光伏儲能是 SiC 市場增長的主要驅動力。

1 ）全球新能源汽車SiC功率器件市場規模2019年為2。3億美元，佔比為41。6%，2021 年 6。8 億，佔比為 62。8%，預計至 2027 年增加至 49。9 億美元，佔比提升至 79。2%，2021-27 年 CAGR 為 39。2%。

2 ）光伏儲能是 SiC 功率器件第二大應用市場，2021 年該全球市場規模為 1。5億美元，預計至 2027 年增加至 4。6 億美元，2021-27 年 CAGR 為 20。0%。

據 CASA 預測，2021-26 年中國第三代半導體電力電子市場將保持 40%年均增速，到 2026 年市場規模有望達 500 億元。其中，車用第三代半導體市場將從40。5 億元增長至 267。3 億元；充電樁用第三代半導體市場從 0。54 億元增長至24。9 億元；光伏用第三代半導體市場從 5 億元增長至 20 億元。

2.1. 新能源車是是 SiC 器件應用的最大驅動力，或迎替代機遇

2.1.1. 角度一： SiC 電驅系統搶先上車，體積、損耗有效下降

SiC 功率器件做電驅，電力損耗有效下降。

新能源汽車系統架構中涉及到功率半導體應用的元件包括：電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車載 DC/DC）和非車載充電樁。其中電驅是 SiC 功率器件最主要的應用部位，行業內也都率先在電驅採用 SiC 器件。

根據美國能源部對純電動車Nissan-Leaf的能耗分析，電驅能量損耗約為16%，其中功率器件佔其中的 40%，因此，電控裡功率器件能量損耗約佔整車的 6。4%。

若使用 SiC 器件，透過導通/開關等維度，總損耗相比矽器件下降 70%，全車總損耗下降約 4。48%，也相當於相同的電池容量下行駛里程提升比例。

據汽車之家拆分，動力電池佔純電動汽車總成本的 40%-50%，假設某中高階電動車價格為 20 萬元，電池成本約 8-10 萬元，如以 SiC 方案提升里程 5%計算，相同效能的產品條件下，僅電池系統就為總成本節省 4000-5000 元。

採用 SiC 可減小電力電子系統體積、減少能量損失。

SiC 模組可以在實現 50kHz以上的高頻驅動（傳統 IGBT 模組無法實現），推動電感等被動器件的小型化。

另外，IGBT 模組存在開關損耗引起的發熱問題，只能按照額定電流的一半進行使用，而 SiC 模組開關損耗較小，即使在高頻驅動時也無需進行大幅的電流降額，散熱系統要求也相對較低，同樣減小了 SiC 器件的體積。採用 SiC 模組可以加速高整合、高密度三合一電驅的推進，實現系統性體積的縮小，進而帶來風阻（佔驅動損耗的 1/3）的減小，促進能量損耗進一步降低。ROHM 在 2018、2019 連續兩年贊助純電賽車，全矽的逆變器、電控，重新設計 SiC 的應用持續帶來 43%體積減小，6 公斤的減重。

使用 SiC 並未增加整車成本。

雖然 SiC 器件成本高於矽基器件，但使用 SiC 器件可以降低系統體積、降低電池損耗、提升續航里程，從而促進整車成本的降低。

據 Wolfspeed（Cree）測算，在新能源汽車使用 SiC 逆變器，可以提升 5%-10%的續航，節省 400-800 美元的電池成本，與新增 200 美元的 SiC 器件成本抵消後，還能實現 200-600 美元的單車成本節約，未來，隨著 SiC 規模化量產之後，成本有望逐步降低，將為整車成本創造更大空間。

SiC 在城市工況、電池容量大、電壓低的方向上能夠提升更大系統效率。

一方面，電池基礎容量越大，可以提升的絕對里程數就越多；鋰電池成本越高，可以節省的單位電池成本越大。另一方面，在固定電池電壓後，電池功率近似跟輸出電流能力成正比，輸出電流能力近似跟晶片的使用數量成正比，功率約高則相應使用SiC 器件越多，替換成本越高。因此 SiC 最高效的應用範圍是在下左圖的左上方。

此外，越是處於頻繁開關/頻繁剎車加油的低速工況下，獲得的效率優勢就更高，所以在城市工況中執行，使用 SiC 器件帶來的效率提升的優勢更加明顯。2018年特斯拉在其 Model3 車型首次將 Si IGBT 換成了封裝尺寸更小的 SiC 模組，使開關損耗降低了 75%，系統效率提高了 5%，續航里程提升 5-10%。

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