绝缘栅

特斯拉带火的碳化硅产业,未来有星辰大海吗

发布时间:2024/8/14 12:58:04   
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碳化硅又一次成为了社交话题的焦点。

当地时间月1日,特斯拉在其首次投资者日活动上表示,为进一步降低车辆成本,计划在下一代电动汽车动力系统中减少碳化硅(SiC)晶体管75%的使用量。

受此影响,欧美市场及中国A股市场相关芯片制造商的股价曾纷纷下跌。

碳化硅作为第三代半导体材料,适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,一度被视为新能源汽车领域的理想材料。特斯拉,曾打响碳化硅上车的第一枪。

年,科锐(Cree,已更名为Wolfspeed)公司推出全球首款碳化硅功率半导体——SiCMOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。5年后,特斯拉发布第四款车型Model,该车型的主逆变器安装了24个意法半导体(ST)公司生产的SiCMOSFET功率模块。

此后,SiC不仅成为半导体厂商激烈涌进的热门赛道,也在全球新能源车市场加速上车。

在九鼎投资看来,特斯拉此次宣称将减少碳化硅的用量,对碳化硅行业的影响不大。

首先,碳化硅的确拥有更优性能。据Wolfspeed测算,将纯电动汽车逆变器中的功率组件改成SiC器件时,可显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,提升车辆5%-10%的续航。

其次,受益于技术进步和行业规模化的影响,碳化硅功率器件的价格呈下降趋势。

尤其在技术方面,碳化硅器件的原材料——衬底和外延片的单位面积价格会随着尺寸的增大进一步降低。而且,在碳化硅单晶的生长方法上,业界在尝试用最新的液相法替代传统的气相法,以提高碳化硅晶体的良率,降低碳化硅的整体生产成本。

九鼎投资判断,待碳化硅的成本降至一定程度,特斯拉或许还会再增加碳化硅的用量。

像特斯拉这样的“价格屠夫”还是少数。目前,宝马、奔驰、大众等一众车企,已纷纷与Wolfspeed、英飞凌等厂商合作,以确保碳化硅产品的稳定供应。

据法国市场调研机构Yole统计,全球碳化硅功率器件市场规模预计从年的10.9亿美元,增长至年的62.97亿美元,年均复合增长率达4%。

从细分应用领域来看,年,碳化硅在汽车领域的市场规模将达49.86亿美元(占总规模的79.18%),在光伏及储能领域的市场规模预计增长至4.58亿美元。轨道交通领域,预计也会为功率器件市场贡献超过1亿美元的增量空间。

可见,汽车将是未来碳化硅最大的应用市场,碳化硅在其他多个领域也有一定成熟应用。总体上,市场对高性能的碳化硅功率器件保持需求增长状态。

“优等生”和“香饽饽”

电子工业的进程,离不开半导体材料的发展。

最早的电子工业,始于年李·德福雷斯特发明的真空管,它具备开关、放大的功能,是最早的电力电子器件。

一个典型的应用是,真空管是世界上第一台电子计算机ENIAC的主要构成部件。当时的ENIAC占地平方米,重量达0吨,并需要一个小型发电站专门为其供电,年的运行成本为当时的40万美元。

由于真空管体积大、易破损、能耗高、老化快等缺点,学界一直在探寻其替代品。如今,作为真空管替代品的半导体器件,在材料上已历经三次大迭代。

和前两代相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

作为第三代半导体材料的代表,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)各有千秋。

例如,氮化镓有着更高的电子迁移率,更适合于高频的应用。目前,氮化镓较多用于射频(RF)电子器件中,在5G通信、国防等领域有广泛的应用。

碳化硅则具有更高的热导率,更适合于更高功率的应用,包括电动汽车和数据中心、一些太阳能设计、铁路牵引、风力涡轮机、网格分布与工业和医疗成像等。这些场景不总是进行高频开关,但需要在很高的电压和优良的散热环境下运行。

第三代半导体材料的另一个优点是,安全、环保,不会像砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、磷化铟(InP)等第二代半导体材料对环境和人体产生危害。

相比于碳化硅,氮化镓在材料端制备环节存在更大技术难度和更高的成本。目前,氮化镓器件主要基于碳化硅衬底。

当前,行业内已实现量产的碳化硅功率器件有SBD(肖特基势垒二极管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管),二者分别针对传统硅基FRD(快速恢复二极管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的不足以实现替代。

但碳化硅不是新材料。资料显示,碳化硅是由美国人艾奇逊在年电熔金刚石实验时,在实验室偶然发现的一种碳化物。

作为一种在多年前就出现的老牌工业材料,为何现在才成为市场

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