2024年全球及中国碳化硅行业概述深度调研报告

2024年全球及中国碳化硅行业概述深度调研报告当前全球碳化硅行业正处于高速增长阶段，碳化硅功率器件市场规模在不断扩大，碳化硅材料的优异性能，比如耐高温、高频、大功率等，使其在新能源汽车、光伏、5G通信、工业及国防等领域得到广泛应用，推动了市场的快速增长。1、定义与特性碳化硅（SiC）是一种由碳和硅原子以共价键形式连接形成的化合物，分子式为SiC。其晶体结构主要分为α-SiC（六方或菱面体结构）和β-SiC（闪锌矿型立方结构），β-SiC在2100℃以上时会转变为α-SiC。碳化硅具有众多卓越的物理化学特性，其硬度极高，莫氏硬度在9.2-9.8之间，仅次于金刚石，这使得它在磨料、切削工具等领域有着重要应用；导热性良好，热导率高于传统半导体材料硅，有助于器件散热，提升稳定性和可靠性；具有一定导电性，其电阻温度特性与金属相反，高纯度碳化硅的电阻率随温度升高而下降，含杂质碳化硅的导电性能则与杂质种类相关；化学稳定性强，在空气中800℃时开始缓慢氧化，1600℃左右氧化作用几乎停滞，因为生成的二氧化硅层能起到保护作用，且对酸、碱及氧化物有一定抵抗力；机械强度高，具有耐磨、抗冲击等特性，能在恶劣环境下保持性能稳定。作为第三代半导体材料，碳化硅与第一代半导体材料硅和第二代半导体材料砷化镓相比，具有更宽的禁带宽度（约为3.2eV，硅为1.12eV），可承受更高的电压，能在高温、高压、高频、大功率、抗辐射等极端条件下稳定工作，适用于制备高性能的功率器件和射频器件，突破了前两代半导体材料在物理性能上的限制，为众多新兴领域的发展提供了关键支撑，推动了电子电力、通信、新能源等行业的技术进步和产业升级。2、应用领域在新能源汽车领域，碳化硅功率器件如碳化硅MOSFET和碳化硅SBD等被广泛应用于电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、车载DC/DC及非车载充电桩等组件中。相较于传统硅基器件，碳化硅器件可使电动车续航里程延长5%-10%，促进逆变器线圈、电容小型化，缩减电驱尺寸，减少电机铁损，提升能源效率和功率密度，优化电动汽车的整体性能，目前特斯拉、比亚迪、丰田等车企均已开始采用碳化硅器件，随着成本的降低，其应用将更加广泛和深入，有望在未来成为新能源汽车的主流半导体材料，推动电动汽车行业的快速发展和技术升级。在光伏产业中，碳化硅MOSFET功率器件已被光伏逆变器龙头企业采用，替代传统硅器件。使用碳化硅功率器件可使光伏转换效率从96%提高至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，显著提高光伏发电系统的发电效率和稳定性，降低成本，促进光伏产业的可持续发展，使其在可再生能源领域的竞争力进一步增强，对于全球能源结构向清洁能源转型具有重要意义，有助于推动太阳能光伏产业在全球范围内的大规模应用和普及。智能电网方面，随着国家大力发展新基建，特高压输电工程对碳化硅功率器件存在重大需求。碳化硅功率器件在智能电网中的应用场景包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置，能够提高电网的输电效率、稳定性和可靠性，降低输电损耗，实现电力的高效传输和分配，对于构建现代化智能电网、保障能源供应安全具有关键作用，有助于提升电网的智能化水平和应对能源需求增长的能力，推动电力行业的技术创新和产业升级。在5G通信领域，碳化硅基氮化镓射频器件因其高电子迁移率和良好的高频特性，成为制造5G基站功率放大器和射频器件的理想材料。与传统的硅基LDMOS器件相比，碳化硅基氮化镓射频器件可以更好地适应5G通信基站、雷达应用等领域低能耗、高效率的要求，能够提升通信信号的传输质量和覆盖范围，满足5G通信对于高频、高功率器件的需求，为5G网络的建设和发展提供了有力支持，推动通信技术的不断进步和创新，对于实现高速、稳定的通信连接以及智能互联社会的构建具有重要意义。航空航天领域，碳化硅陶瓷材料由于耐高温、高强度的特性，被用于制造航空航天器的高温部件，如发动机叶片、燃烧室等。在高温环境下，碳化硅陶瓷能够保持良好的结构完整性和性能稳定性，确保航空航天器的安全运行和可靠工作，提高航空航天器的性能和效率，减轻结构重量，满足航空航天领域对于高性能材料的严苛要求，为航天事业的发展提供了关键材料支撑，有助于推动人类探索宇宙的进程和航空航天技术的不断突破。3、行业发展历程碳化硅的发现可追溯至1824年，伯泽里乌斯从硅氟化钾还原中制备出碳化硅。1891年，美国化学家艾奇逊以工业规模合成出这种人造矿物，1904年，法国人莫瓦桑首次在美国亚历山大州的陨石里发现了天然碳化硅，但含量甚微，工业上使用的碳化硅几乎均为人工合成。早期，碳化硅主要应用于磨料、耐火材料等领域，随着半导体技术的发展，其在电子领域的应用潜力逐渐被挖掘。从20世纪50年代开始，进入物理基本性质研究和英寸级别单晶生长的技术积累阶段，物理气相传输（PVT）生长方法基本确定，掺杂半绝缘技术被提出，到1994年，Cree推出了商用的2英寸（50.8mm）SiC衬底材料，掀起了全球SiC器件及相关技术的研究热潮。此后，碳化硅技术不断发展，在衬底尺寸、外延生长、器件制造等方面取得了一系列突破，国际上6英寸SiC衬底产品已实现商用化，主流几大厂家均推出8英寸衬底样品，6英寸外延产品也已商用，8英寸外延产品也已研制成功，可满足中低压、高压、超高压功率器件制备要求，碳化硅功率器件的性能和可靠性不断提升，应用领域也不断拓展。近年来，随着新能源汽车、5G通信、光伏等产业的快速发展，碳化硅市场需求呈现高速增长态势。根据Yole公布的数据，2021年全球碳化硅功率器件市场规模为10亿美元，到2023年，这一规模增长至约30.4亿美元，预计到2028年，全球功率碳化硅器件市场将增长至近90亿美元，碳化硅行业逐渐步入产业化成熟阶段，成为全球半导体产业发展的重要方向之一，众多企业纷纷加大在碳化硅领域的研发和生产投入，竞争日益激烈，推动着碳化硅技术和产业的不断创新和发展。在这一过程中，美国Wolfspeed公司上世纪90年代初已成功推出碳化硅晶片产品，90年代末成功研制出4英寸碳化硅晶片，并于2001年成功