不同碳化硅襯底的應用場景有哪些？

碳化硅襯底可分為導電型碳化硅襯底和半絕緣型碳化硅襯底，根據性能不同用于不同領域。

1)半絕緣型襯底：主要應用于制造氮化鎵射頻器件。碳化硅基氮化射頻器件己成功應用于 眾多領城，以無線通信基礎設施和國防應用為主。

碳化硅基射頻器件市場規模增長迅速。根據 Yole development 數據，2020 年碳化硅基射 頻器件市場規模占比達到 99%，約 8.86 億美元，預計 2026 年全球碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規模將增長至 22.22 億美元，CAGR 為 17%，在氮化鎵射頻市場上占比達到 93%。、

國防軍事應用和無線通信基礎設施為碳化硅基氮化鎵射頻器件主要驅動因素。Yole Development 預測，國防軍事帶來的碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規模將從 2019 年的 3.42 億美元增加至 2025 年的 11.10 億美元，CAGR 達 22%。其次，無線通信基礎設施帶 來的碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規模將從 2019 年的 3.18 億美元上升至 2025 年的 7.31 億美元，CAGA 達到 15%。根據 CASA research 數據，2020 年我國 GaN 射頻器件市場 規模為 66.1 億元。其中，國防軍事與航天以及無線基礎設施領域的占比分別達 53%及 36%。

a）無線通信基礎設施：無線通信基礎設施帶來的碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規將從 2019 年的 3.18 億美元上升至 2025 年的 7.31 億美元，CAGR 達到 15%。相比砷化鎵和 硅基 LDMOS 射頻器件，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具有碳化硅良好的導熱 性能和氨化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢。

b）國防軍工領域：Yole Development 預測，國防軍事用碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規 模將從 2019 年的 3.42 億美元增至 2025 年的 11.10 億美元，CAGR 達 22%。目前碳化硅基氮化鎵射頻器件己代替了大部分砷化鎵和部分硅基 LDMOS 器件，占據大部分市場。

c）衛星通信：需要高頻高輸出，氮化鎵器件也有望逐步取代砷化鎵的解決方案。 受益于以上終端應用驅動，半絕緣型襯底的需求將大幅增加。根據 Yole 的預測，半絕緣 型襯底的需求將上漲，預計半絕緣型碳化硅襯底市場需求量將由 2019 年的 13.38 萬片增 長至 2025 年的 43.84 萬片，CAGR 達到 21.9%。

2）導電型襯底：主要用于制造功率器件。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、 高頻率、低損耗等獨特優勢，將極大地提高現有使用硅基功率器件的能源轉換效率。主要 應用領域有電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等。

受益于下游應用，SiC 功率器件市場規模空間大增速快，導電型襯底市場也將大幅增長。 根據 Yole Development，SiC 功率器件市場規模將從 2019 年的 5.41 億美元增至 2025 年的 25.62 億美元，CAGR 達 30%。其中，新能源汽車市場預計從 2019 年的 2.25 億美元 上升到 2025 年的 15.53 億美元，CAGR 為 38%，占比達 60%。光伏和儲能位居第二， 市場規模為 3.14 億美元。充電基礎設施將成為下游增長最快的應用，所用 SiC 功率器件 規模也將從 2019 年的 0.05 億美元大幅上漲至 2025 年的 2.25 億美元，CAGR 達到 90%。

a）新能源汽車/充電樁：新能源汽車將成為 SiC 功率器件大幅增長的推動力。據 Yole 預 測，2019-2025 年，新能源車和充電樁應用的 SiC 功率器件市場規模將從 2.3 億美元大幅 增加至 17.78 億美元，占整個市場的 69%。隨著電動汽車發展，對功率半導體器件的需求 量增加，而碳化硅功率器件有著高可靠性、高效率特性，契合電動汽車的發展要求，因此， 碳化硅器件是未來電動汽車的必然之選。

b）光伏新能源：光伏和儲能系統將會是全球新能源發展的主要方向，也是碳化硅器件的 重要應用領域之一。根據 Yole 數據，2019-2025 年光伏和儲能應用的 SiC 功率器件市場 規模將從 1.25 億美元大幅增加至 3.14 億美元，CAGR 達到 17%。

在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產品預計會逐漸替代硅基器件。逆變器是光伏發 電能否有效、快速滲透的關鍵之一。光伏逆變器曾普遍采用硅器件，基于硅基器件的傳統 逆變器成本約占光伏發電系統的 10%左右，卻是系統能量損耗的主要來源之一。使用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET 與 SiC SBD 結合的功率模塊的光伏逆變器，可將轉換效率從 96%升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設備循環壽命提升 50 倍，從而能夠縮小 系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。高效、高功率密度、高可 靠和低成本是光伏逆變器的未來發展趨勢。

根據 Bloomberg 數據，2021 年新增光伏裝機量的最新統計數據是 183GW，同比增長 30％以上。預計在 2022 年全球將新增光伏裝機 228GW（dc），2030 年將增加到 334GW （dc）。此外，根據 CASA 預測，光伏逆變器中碳化硅功率器件占比將在 2025 年達到 50%， 之后繼續逐步增長。

c）軌道交通：根據 Yole 數據，2019-2025 年軌道交通應用的 SiC 功率器件市場規模將從 0.09 億美元大幅增加至 1.18 億美元，CAGR 達到 55%。

碳化硅功率器件可以大幅度提高未來軌道交通裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯 減輕軌道交通的載重系統，提升整體效能。未來軌交對電力電子裝置，如牽引變流器、電 力電子電壓器等要求更高。軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件，其牽引變流器、輔 助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化硅器件的需求。 其中，牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備，能極大發揮碳化硅器件高溫、 高頻和低損耗特性，提高裝置效率，符合大容量、輕量化和節能型牽引變流裝置的應用需 求。2014 年，日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機 3300V/1500A 全碳化硅功率 模塊逆變器，開關損耗降低 55%、體積和重量減少 65%，電能損耗降低 20%至 36%。 根據 CASA research 的數據，未來軌道交通中碳化硅功率器件的占比將逐步提升，2030 年將達到 30%。

d）智能電網：未來更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電將對萬伏級以上的碳化 硅功率器件具有重大需求。目前碳化硅器件已開始應用在中低壓配電網。碳化硅功率器件 在智能電網的主要應用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝 置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等。電力系統要求更高的電壓、更大的功率容量和 更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的 系統局限性，具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優勢，在固態變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動智能電網的發展和變革。 此外，碳化硅功率器件在風力發電、工業電源、航空航天等領域也已實現成熟應用。