2022年半导体行业报告：SiC全产业链拆解，新能源下一代浪潮之基
报告出品/作者：财通证券、张益敏、吴姣晨
以下为报告原文节选
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1. SiC 性能优异，材料 升级势在必行
SiC 是第三代宽禁带半导体材料，在禁带宽度、击穿场强、电子饱和漂移速度等物理特性上较 Si 更有优势，制备的 SiC 器件如二极管、晶体管和功率模块具有更优异的电气特性，能够克服硅基无法满足高功率、高压、高频、高温等应用要求的缺陷，也是能够超越摩尔定律的突破路径之一，因此被广泛应用于新能源领域（光伏、储能、充电桩、电动车等）。
1.1. 什么是 SiC
半导体材料按被研究和规模化应用的时间先后顺序通常分为三代。
第一代：20 世纪 40 年代，硅（Si）、锗（Ge）开始应用，硅的自然储量大、制备工艺简单，是当前产量最大、应用最广的半导体材料，应用于集成电路，涉及工业、商业、交通、医疗、军事等人类生产生活的各个环节，但在高频高功率器件和光电子器件应用上存在较大瓶颈。
第二代：20 世纪 60 年代，砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）在光电子、微电子、射频领域被用以制作高速高频、大功率以及发光电子器件，能够应用于卫星通信、移动通信、光通信、GPS 导航等。由于 GaAs、InP 材料资源稀缺、价格昂贵、有毒性、污染环境，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。
第三代：20 世纪 80 年代，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石（C）等为代表的宽禁带（Eg＞2.3eV）半导体迅速发展，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，满足高电压、高频率场景，应用于高电压功率器件、5G 射频器件等领域。
与 Si 材料相比， SiC 主要优势在于：
1）SiC 具有 3 倍于 Si 的禁带宽度，能减少漏电并提高耐受温度。
2）SiC 具有 10 倍于 Si 击穿场强，能提高电流密度、工作频率、耐压容量并减低导通损耗，更适合高压应用。
3）SiC 具有 2 倍于 Si 的电子饱和漂移速度，所以可工作频率更高。
4）SiC 具有 3 倍于 Si 的热导率，散热性能更好，能够支持高功率密度并降低散热要求，使得器件更轻量化。
因此，SiC 材料具有明显的材料性能优势，能满足现代电子对高温、高功率、高压、高频、抗辐射等恶劣条件要求，适用于 5G 射频器件和高电压功率器件，满足新能源领域（光伏、储能、充电桩、电动车等）对于轻量化、高能效、高驱动力等要求。
1.2. 我们为什么要用 SiC 做器件
SiC 器件包括二极管、晶体管和功率模块。2001 年英飞凌最先发布 SiC JBS 产品；2008 年 Semisouth 发布了第一款常关型的 SiC JFET 器件；2010 年ROHM 公司首先量产 SiC MOSFET 产品；2011 年 Cree 公司开始销售 SiC MOSFET 产品，2015 年 ROHM 继续优化推出了沟槽栅 MOSFET。目前，SiC SBD 二极管和 MOSFET 晶体管目前应用最广泛、产业化成熟度最高，SiC IGBT 和 GTO 等器件由于技术难度更大，仍处于研发阶段，距离产业化有较大的差距。
SiC 器件因其材料特性表现优越电气性能：
1 ）导通、开关/ / 恢复损耗更低：
宽带隙使得 SiC 器件漏电流更少，并且在相同耐压条件下，SiC 器件的导通电阻约为硅基器件的 1/200， 因此 导通损耗更低；Si FRD 和 Si MOSFET 从正向偏置切换到反向偏置的瞬间会产生极大的瞬态电流，过渡到反向偏置状态会产生很大损耗。而 SiC SBD 和 SiC MOSFET 是多数载流子器件，反向恢复时只会流过结电容放电程度的较小电流。并且，该瞬态电流几乎不受温度和正向电流的影响，无论在何种环境条件下都可以实现稳定快速（小于 20ns）的反向恢复。根据 ROHM，SiC MOSFET+SBD 的模组可以将开通损耗（Eon）减小 34%， 因此恢复损耗低 ；
SiC 器件在关断过程中不存在电流拖尾现象 ，根据 ROHM ， SiC MOSFET+SBD 的模组可以将关断损耗（Eoff）减小 88%，因此开关损耗更低。
2 ）器件得以小型化：
SiC 禁带宽度决定了它能够以更高的掺杂浓度、更薄的膜厚漂移层制作出 600V以上的高压功率器件（对于相同耐压的产品、同样的导通电阻，芯片尺寸更小）；SiC 饱和电子漂移速率高，所以 SiC 器件能实现更高的工作频率和更高的功率密度，因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积，从而降低了组成系统后的体积及其他组件成本。
SiC 带隙宽并且导热率显著，不仅在高温条件下也能稳定工作，器件散热更容易，因此对散热系统要求更低。
3 ）SiC 器件热稳定：
SiC SBD 与 Si FRD 开启电压都小于 1V，但 SiC SBD 的温度依存性与 Si FRD不同：温度越高，导通阻抗就会增加，VF 值会变大，不易发生热失控，提升系统的安全性和可靠性。同等温度条件下，IF=10A 时 SiC 与硅二极管正向导通电压比对，SiC 肖特基二极管的导通压降为 1.5V，硅快速恢复二极管的导通压降为 1.7V,SiC 材料性能好于硅材料。
此外，Si MOSFET 的漂移层电阻在温升 100℃时会变为原来 2 倍，但 SiC MOSFET 的漂移层电阻占比小，其他电阻如沟道电阻在高温时会稍微下降，n+基板的电阻几乎没有温度依存性，因此在高温条件下导通电阻也不容易升高。
超越摩尔定律，新材料是突破路径之一。硅基器件逼近物理极限，摩尔定律接近效能极限。SiC 器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现，能够克服硅基无法满足高功率、高压、高频、高温等应用要求的缺陷。
2. 多领域需求驱动， SiC 市场 规模可达 62.97 亿美元
2021- 27 年全球 SiC 功率器件市场规模 CAGR 为 34%。 SiC 器件被广泛用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、国防军工等领域。Yole 数据显示，全球 SiC 功率器件市场规模将由 2021 年的 10.9 亿美元增长至 2027 年的62.97 亿美元，2021-27 年 CAGR+34%。此外，根据 CASA Research 统计，2020 年国内 SiC、GaN 电力电子器件市场规模约为 46.8 亿元，较上年同比增长 90%，占分立器件的比例为 1.6%。并且预计未来五年 SiC、GaN 将以45%的年复合增长率增至近 300 亿元。
根据 Yole ， 新能源汽车、光伏储能是 SiC 市场增长的主要驱动力。
1 ）全球新能源汽车SiC功率器件市场规模2019年为2.3亿美元，占比为41.6%，2021 年 6.8 亿，占比为 62.8%，预计至 2027 年增加至 49.9 亿美元，占比提升至 79.2%，2021-27 年 CAGR 为 39.2%。
2 ）光伏储能是 SiC 功率器件第二大应用市场，2021 年该全球市场规模为 1.5亿美元，预计至 2027 年增加至 4.6 亿美元，2021-27 年 CAGR 为 20.0%。
据 CASA 预测，2021-26 年中国第三代半导体电力电子市场将保持 40%年均增速，到 2026 年市场规模有望达 500 亿元。其中，车用第三代半导体市场将从40.5 亿元增长至 267.3 亿元；充电桩用第三代半导体市场从 0.54 亿元增长至24.9 亿元；光伏用第三代半导体市场从 5 亿元增长至 20 亿元。
2.1. 新能源车是 是 SiC 器件应用的最大驱动力 ，或迎替代机遇
2.1.1. 角度一： SiC 电驱系统 抢先上车 ，体积、损耗有效下降
SiC 功率器件做电驱 ， 电力损耗有效下降。新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。其中电驱是 SiC 功率器件最主要的应用部位，行业内也都 率先在电驱采用 SiC 器件。
根据美国能源部对纯电动车Nissan-Leaf的能耗分析，电驱能量损耗约为16%，其中功率器件占其中的 40%，因此，电控里功率器件能量损耗约占整车的 6.4%。
若使用 SiC 器件，通过导通/开关等维度，总损耗相比硅器件下降 70%，全车总损耗下降约 4.48%，也相当于相同的电池容量下行驶里程提升比例。
据汽车之家拆分，动力电池占纯电动汽车总成本的 40%-50%，假设某中高端电动车价格为 20 万元，电池成本约 8-10 万元，如以 SiC 方案提升里程 5%计算，相同性能的产品条件下，仅电池系统就为总成本节省 4000-5000 元。
采用 SiC 可减小电力电子系统体积、减少能量损失。SiC 模块可以在实现 50kHz以上的高频驱动（传统 IGBT 模块无法实现），推动电感等被动器件的小型化。
另外，IGBT 模块存在开关损耗引起的发热问题，只能按照额定电流的一半进行使用，而 SiC 模块开关损耗较小，即使在高频驱动时也无需进行大幅的电流降额，散热系统要求也相对较低，同样减小了 SiC 器件的体积。采用 SiC 模块可以加速高集成、高密度三合一电驱的推进，实现系统性体积的缩小，进而带来风阻（占驱动损耗的 1/3）的减小，促进能量损耗进一步降低。ROHM 在 2018、2019 连续两年赞助纯电赛车，全硅的逆变器、电控，重新设计 SiC 的应用持续带来 43%体积减小，6 公斤的减重。
使用 SiC 并未增加整车成本。虽然 SiC 器件成本高于硅基器件，但使用 SiC 器件可以降低系统体积、降低电池损耗、提升续航里程，从而促进整车成本的降低。
据 Wolfspeed(Cree)测算，在新能源汽车使用 SiC 逆变器，可以提升 5%-10%的续航，节省 400-800 美元的电池成本，与新增 200 美元的 SiC 器件成本抵消后，还能实现 200-600 美元的单车成本节约，未来，随着 SiC 规模化量产之后，成本有望逐步降低，将为整车成本创造更大空间。
SiC 在城市工况、 电池容量大、电压低的方向上能够提升更大系统效率。一方面，电池基础容量越大，可以提升的绝对里程数就越多；锂电池成本越高，可以节省的单位电池成本越大。另一方面，在固定电池电压后，电池功率近似跟输出电流能力成正比，输出电流能力近似跟芯片的使用数量成正比，功率约高则相应使用SiC 器件越多，替换成本越高。因此 SiC 最高效的应用范围是在下左图的左上方。
此外，越是处于频繁开关/频繁刹车加油的低速工况下，获得的效率优势就更高，所以在城市工况中运行，使用 SiC 器件带来的效率提升的优势更加明显。2018年特斯拉在其 Model3 车型首次将 Si IGBT 换成了封装尺寸更小的 SiC 模块，使开关损耗降低了 75%，系统效率提高了 5%，续航里程提升 5-10%。
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