前言：Si 是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，但無法突破高溫、高功率、高頻等瓶頸。二元系化合物半導(dǎo)體材料GaAs/GaN/SiC 具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發(fā)光效率等特性，能彌補(bǔ) Si 材料的不足，在射頻、功率器件、光電子及國防軍工等應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。
本文全面介紹了GaAs/GaN/SiC的技術(shù)優(yōu)勢和在5G、新能源汽車等各個新興領(lǐng)域的應(yīng)用。
1. 化合物半導(dǎo)體性能優(yōu)勢顯著，有望迎來快速滲透
1.1 GaAs/GaN/SiC 優(yōu)勢顯著，應(yīng)用領(lǐng)域定位不同
常用的半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是由單一元素制成的半導(dǎo)體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應(yīng)用最廣?；衔锇雽?dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機(jī)化合物半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、碳化硅等）。
硅（Si）是較早且也是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。最早半導(dǎo)體晶體管采用的是鍺（Ge）基材料， 但是由于 Ge 儲量少、提純難度大等原因，逐步被 Si 所替代。Si 因?yàn)閮α控S富、技術(shù)成熟、成本 低等特點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，目前廣泛被應(yīng)用在各類分立器件和集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程等領(lǐng)域，但是在高頻、高溫、高壓、光學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域，二元系化合物半導(dǎo)體材料則更具優(yōu)勢。
二元系化合物半導(dǎo)體材料 GaAs/GaN/SiC 具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發(fā)光效率等特性， 在射頻、功率器件、光電子及國防軍工等應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。
GaAs 是較為重要、技術(shù)成熟度最高的化合物半導(dǎo)體材料之一。相比 Si，GaAs 材料具備禁帶寬度 大、電子遷移率高的特性，能顯著降低射頻尺寸、降低功耗，也具備成本優(yōu)勢。相比于 GaN 和 SiC 等新興的二元系化合物半導(dǎo)體材料，GaAs 技術(shù)成熟，具備較為明顯的成本優(yōu)勢。GaAs 廣泛應(yīng)用在射頻和光電子領(lǐng)域。
GaN 作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，因具有高功率密度、能耗低、適合高頻率、支持更寬帶寬等特點(diǎn)， 主要用于微波射頻、電力電子和光電子等領(lǐng)域。微波射頻方向主要為 5G 通信和衛(wèi)星通訊等應(yīng)用；電力電子包括消費(fèi)電子快充、新能源汽車等應(yīng)用；光電子方向主要為 LED 等領(lǐng)域。目前 GaN 技術(shù)仍在快速發(fā)展階段，成本相對較高。
SiC 有較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，且耐高溫、耐高壓，因此常被用來做功率器件。SiC 在電壓 600V 及以上的高功率領(lǐng)域具有優(yōu)勢。與 GaN 類似，SiC 技術(shù)也在快速發(fā)展階段，成本相對較高。
GaAs/GaN/SiC 應(yīng)用領(lǐng)域不同。GaAs 是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的射頻材料，被廣泛應(yīng)用在射頻、無線通 信以及特種應(yīng)用上。GaAs 應(yīng)用的工作頻率主要在 8G Hz 以內(nèi)，適合中低功率器件，例如微基站和 手機(jī)射頻材料。而高功率射頻方向，GaN 具備明顯優(yōu)勢，是 5G 宏基站的必備材料，此外，GaN作為快充材料，能顯著降低充電器尺寸，并降低功耗，目前在手機(jī)快充中快速滲透。SiC 是功率器件的理想材料，尤其在耐高壓方面（＞600V），性能優(yōu)勢顯著，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、電力設(shè)備等領(lǐng)域。
1.2 技術(shù)成熟&成本下降，SiC/GaN 有望加速滲透
SiC/GaN 技術(shù)穩(wěn)步提升，產(chǎn)品供應(yīng)迅速上量。襯底及外延方面，6 英寸 SiC 產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并已完成 8 英寸襯底的研發(fā)；SiC 基 GaN 外延材料 4 英寸與 6 英寸共存，Si 基 GaN 外延主流尺寸為 6 英寸，未來 6 英寸的 SiC 基 GaN 和 8 英寸的 Si 基 GaN 為主要發(fā)展趨勢。
根據(jù) CASA 報告顯示，2019 年各廠家在售的各類 SiC/GaN 產(chǎn)品種類較 2017 年增加了 6 成，僅2019 年就新增了 321 款新品。SiC 電力電子器件已覆蓋大部分應(yīng)用需求，功率模塊新品推出加速，2019 年推出模塊新品數(shù)量占新品總數(shù)一半以上；GaN 功率器件性能逐步提升，射頻器件供應(yīng)上量。
SiC/GaN 器件價格持續(xù)下滑?？傮w來看，目前 SiC/GaN 器件成本還是遠(yuǎn)高于 Si 產(chǎn)品，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品良率的提升，規(guī)模效應(yīng)的增強(qiáng)，SiC/GaN 器件價格持續(xù)下滑。功率產(chǎn)品方面，以650V SiC MOSFET 為例，其產(chǎn)品價格從 2018 年中的 3.44 元/A 下降到 2019 年年底的 2.24 元/A。射頻產(chǎn)品方面，RF GaN HEMT 近期降價更是顯著，2019 年底平均價格較 2018 年降幅近 23%。
受益于 SiC/GaN 器件技術(shù)成熟&成本下降，SiC/GaN 器件有望加速滲透。得益于 SiC/GaN 功率產(chǎn)品性能的提升，其有望在新能源汽車、快充等市場中獲得廣泛應(yīng)用，根據(jù) Yole 預(yù)測，2023 年 SiC、GaN 電力電子器件的市場規(guī)模將分別增長至 14 億和 3.7 億美元，市場滲透率分別達(dá)到 3.75%和1%。GaN 射頻器件在 5G 宏基站建設(shè)和國防建設(shè)的旺盛需求下，疊加 GaN 射頻器件成本下降，需求有望快速放量，根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測，2023 年 GaN 射頻器件需求量將達(dá)到 194.3 百萬個，19- 23 年 CAGR 達(dá)到 85.8%。
2 GaAs：射頻和光電子需求旺盛，有望保持高增長
GaAs 是較為成熟的二元半導(dǎo)體化合物材料，主要應(yīng)用在射頻、LED、光電子等領(lǐng)域，其中射頻是 GaAs 下游最大的應(yīng)用領(lǐng)域，占比為 47%。GaAs 市場總體規(guī)模較大，2018 年全球砷化鎵元件市場總產(chǎn)值達(dá)到 89 億美元。
受益射頻和光電子需求旺盛，GaAs 有望保持持續(xù)高增長。射頻端，5G 手機(jī)需要更多的 PA，對GaAs 需求有望保持穩(wěn)定增長；手機(jī) WIFI PA 和路由器 WIFI PA 對 GaAs 需求有望保持快速增長。光電子端，受益 3D 深度相機(jī)在手機(jī)端快速滲透，GaAs 激光器有望保持快速增長。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)的報告，全球 GaAs 產(chǎn)值有望從 2018 年的 89 億美元，增長到 2023 年的 143 億美元，19-23 年 CAGR 為 10%。
2.1 GaAs PA 為主流技術(shù)，受益于 5G 等行業(yè)趨勢
5G 手機(jī)滲透率快速提升。手機(jī)市場正迎來 5G 換機(jī)潮，全球 2019 年 5G 手機(jī)銷量為 1870 萬部，滲透率約為 1.4%，GSMA 預(yù)測 5G 手機(jī) 2025 年出貨量有望達(dá)到 7 億部，滲透率達(dá)到 47%。隨著國內(nèi) 5G 網(wǎng)絡(luò)部署超預(yù)期，中國 5G 用戶快速提升，截止到 20 年 3 月底，中國移動 5G 用戶已經(jīng)超過了 3 千萬，保守估計三大運(yùn)營商 5G 用戶已經(jīng)超過了 6 千萬。
5G 手機(jī)需要更多的功率放大器。4G 的射頻通信需要用到 5 模 13 頻，平均使用 7 顆 PA。由于 5G新增了頻段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz），未來還需要新增 6GHz 以上高頻段，同時需要繼續(xù)兼容 4G、3G、2G 標(biāo)準(zhǔn)，因此 5G 手機(jī)需要更多的 PA，最多可達(dá) 16 顆，平均也有望超過 10 顆。
GaAs 在手機(jī) PA 滲透率有望持續(xù)提升。Si CMOS PA 在輸出功率、工作頻率等方面的性能明顯不足，難以適應(yīng) 5G 時代的高頻、高功率。而目前 GaN PA 技術(shù)仍然不夠成熟，成本較高。GaAs PA性能優(yōu)良，能滿足 5G 手機(jī) sub-6 G Hz 頻段的需求，滲透率有望持續(xù)提升。
受益于手機(jī) PA 放量，射頻對 GaAs 需求有望持續(xù)增長。根據(jù) Yole 的預(yù)測，手機(jī) PA 對 GaAs 的 需求將從 19 年的 43.9 萬片/年（等價 6 寸片），增長到 25 年的 54.2 萬片/年。此外，手機(jī) WIFI PA 和路由器 WIFI PA 消耗砷化鎵晶圓的數(shù)量也呈現(xiàn)快速增長，有望從 19 年的 10.6 萬片/年增長到 25 年 18 萬片/年。受益于手機(jī) PA 需求穩(wěn)定增長、手機(jī) WIFI PA 和路由器 WIFI PA 快速增長，射頻對砷化鎵需求有望保持穩(wěn)定增長，整個 GaAs RF 對 6 寸砷化鎵晶圓的需求將從 19 年的 74.4 萬片/年增長到 25 年 94.1 萬片/年，CAGR 約為 4%。
2.2 3D 深度相機(jī)商用全面開啟，GaAs 光電子未來可期
GaAs 具有直接躍遷型的能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶底和價帶頂之間的光躍遷可以垂直進(jìn)行，發(fā)光效率較高。GaAs 材料主要應(yīng)用于制作紅光及紅外器件。
3D 深度相機(jī)商用全面開啟。2017 年，蘋果公司推出集成人臉識別結(jié)構(gòu)光前置攝像頭的 iPhone X，開啟了 3D 深度相機(jī)在手機(jī)端的商用，該結(jié)構(gòu)光的發(fā)射光源采用 GaAs 激光器（垂直腔面激光器，VCSEL）。2020 年 3 月，蘋果推出配置后置 ToF 攝像頭的 iPad Pro，采用相似的 VCSEL 發(fā)射光源，蘋果也有望在 2020 年 9 月發(fā)布的 iPhone 上采用后置 ToF 攝像頭，形成前置結(jié)構(gòu)光+后置 ToF 的雙 3D 深度攝像頭的配置，單部手機(jī)的 VCSEL 用量有望達(dá)到 2 顆。華為、OPPO、ViVO、小米、三星等手機(jī)廠商也都有望在手機(jī)上逐步配置 ToF 攝像頭，采用 VCSEL 光源。根據(jù) Yole 的報告，2018 年 3D 攝像頭出貨量約為 7300 萬，預(yù)計到 2023 年，將增長到 8.9 億，CAGR 為 65%。
3D 攝像頭出貨量爆發(fā)性增長有望打開 GaAs 成長新空間。根據(jù) yole 預(yù)測，光電子應(yīng)用的 GaAs 晶圓出貨量在 2017 年至 2023 年期間的復(fù)合年增長率（CAGR）為 37%，到 2023 年將實(shí)現(xiàn) 1.5 億美元市場規(guī)模。
未來，汽車激光雷達(dá)有望為 GaAs 貢獻(xiàn)新的增長空間。手機(jī)僅僅只是 VCSEL 的其中一個應(yīng)用場景，隨著智能駕駛的發(fā)展，尤其到 L4 和 L5 階段，汽車對激光雷達(dá)的需求越來越旺盛，根據(jù)麥肯錫公司的預(yù)測，到 2030 年汽車年生產(chǎn)量將達(dá)到 1.15 億臺，其中將有 15%的汽車實(shí)現(xiàn)高級自動駕駛，并有 45%實(shí)現(xiàn)低級自動駕駛。在 2030 年自動駕駛用的激光雷達(dá)市場將達(dá)到 180 億美元以上，年復(fù)合增速 51%。
3. GaN：5G 關(guān)鍵器件，射頻/電力電子領(lǐng)域優(yōu)勢顯著
3.1 GaN：適合高頻、高功率、低壓應(yīng)用領(lǐng)域
GaN 器件 1990 年開始用于發(fā)光二極管中，開啟了其商業(yè)化大門。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，其具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、飽和電子遷移速率高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)等特性，適合制作高頻、大功率、高密度集成和抗輻射的電子器件，廣泛應(yīng)用智能電網(wǎng)、高速軌道交通等電力電子領(lǐng)域及 5G 基站、雷達(dá)等微波射頻領(lǐng)域。根據(jù)金智創(chuàng)新的數(shù)據(jù)，2017 年，國內(nèi) GaN 下游中LED、微波射頻、電力電子（功率器件）應(yīng)用占比分別為 70%，17%和 11%。
在電子器件領(lǐng)域，GaN 更適合高頻、高功率、低壓應(yīng)用領(lǐng)域。在射頻應(yīng)用方面，相比于 GaAs 和Si，GaN 具有更高的電子飽和漂移速度和更大的禁帶寬度，導(dǎo)通損耗較低，適用于大功率、高頻的射頻應(yīng)用。在功率半導(dǎo)體應(yīng)用方面，由于其在高壓場景表現(xiàn)不如 SiC，因此主要應(yīng)用在低壓領(lǐng)域。具體來看，目前 GaN 的優(yōu)勢領(lǐng)域在 200-600V 的低壓領(lǐng)域，而 SiC 主要應(yīng)用于 600V 以上的中高壓領(lǐng)域。
3.2 射頻需求旺盛&快充快速起量，GaN 未來前景廣闊
射頻功放需求旺盛
當(dāng)前射頻功率放大器主要有三種工藝：GaAs、GaN 和基于 Si 的 LDMOS。前文所述的 GaAs 輸出功率較低（一般低于 50W），主要應(yīng)用于終端射頻前端和微蜂窩基站建設(shè)。而 GaN 和 LDMOS 輸出功率較高，主要應(yīng)用于宏基站射頻單元中。在 4G 基站建設(shè)中，LDMOS 器件是市場的主流。預(yù)計在 5G 建設(shè)中，GaN 器件將逐步成為宏基站應(yīng)用的主流，此外，軍事領(lǐng)域 GaN 射頻市場也將維持高景氣，預(yù)計 GaN 在射頻功率器件應(yīng)用中的占比將持續(xù)顯著提升。
5G 宏基站對射頻器件提出了更高的要求。5G 給基站建設(shè)帶來的挑戰(zhàn)主要有：1）更高頻率和更大帶寬：4G 的頻率范圍為 1.88GHz-2.635GHz，而 5G 的 Sub-6GHz 頻段和毫米波頻段的頻率分別可達(dá)到 0.45GHz-6GHz 和 24.25GHz-52.6GHz，分量載波帶寬可達(dá) 100MHz。2）更高功率效率的需求；3）更高功率密度的需求：根據(jù)華為，5G 基站的功率將超過 11Kw，相比于 4G 基站功率提高 68%，運(yùn)營商需要大幅提高功率密度以在相同大小的空間內(nèi)提供更高的功率。4）更小體積：5G Massive MIMO 和波束成形技術(shù)采用陣列天線，器件數(shù)量的大幅增加，設(shè)備小型化的需求驅(qū)動內(nèi)部器件小型化。
GaN 射頻器件更適用于 5G 宏基站。GaN 射頻器件能很好的適應(yīng) 5G 宏基站的高要求：1）傳統(tǒng)的 LDMOS 僅在 3.5GHz 及以下表現(xiàn)良好，無法適應(yīng) 5G 的高頻率，而 GaN 適應(yīng)的頻率范圍拓展了40Hz 甚至更高，適應(yīng)了 5G 高頻的需求。另外，GaN 器件更高效率、更高輸出阻抗和更低寄生電容能夠更容易實(shí)現(xiàn)帶寬匹配。2）GaN 具有軟壓縮特性，更容易預(yù)失真和線性化，實(shí)現(xiàn)更高的效率。3）GaN 可以做到更高的功率密度，達(dá)到 LDMOS 器件功率密度的 4 倍左右。4）體積方面，GaN封裝尺寸僅 LDMOS 的 1/4-1/7。
受益于 5G 宏基站快速放量，GaN 器件用量有望快速提升。全球主要國家如美日中韓等國都已開啟 5G 商用，基站建設(shè)正處于逐步放量階段。5G 宏基站將以 64 通道的大規(guī)模陣列天線為主，按三個扇區(qū)計算，單基站 PA 需求量將高達(dá) 192 個。根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院的預(yù)測，國內(nèi) 5G 宏基站建設(shè)將于 2023 年左右達(dá)到高峰，年新增 115 萬個以上，對應(yīng) PA 需求高達(dá) 2.21 億個。隨著 GaN 器件成本的下降和工藝的成熟，GaN PA 滲透率將不斷提升，拓墣產(chǎn)業(yè)研究院估計 2019 年 5G 宏基站PA 中 GaN 占比在 50%左右，預(yù)計到 2023 年 GaN 占比將達(dá)到 80%，對應(yīng) 112.6 億元國內(nèi)市場需求。
軍用雷達(dá)升級驅(qū)動 GaN 射頻市場快速起量。軍用雷達(dá)升級體現(xiàn)在兩個方面：一是基于 GaN 的有源電子掃描陣列（AESA）雷達(dá)系統(tǒng)替換原有的基于 GaAs 的 AESA 雷達(dá)系統(tǒng)和基于行波管（TWT）的系統(tǒng)。這主要是因?yàn)閮蓚€方面的原因：一方面 GaN 的高功率提高了抗干擾能力，擴(kuò)大了作用距離或搜索范圍；另一方面，采用 GaN 后，較小的孔徑就能夠形成與不采用 GaN 的較大孔徑相同的作用距離和搜索范圍。因此向基于 GaN 的 AESA 雷達(dá)系統(tǒng)升級成為趨勢，各國的軍隊正在同時升級至 AESA 雷達(dá)和 GaN 芯片。二是 AESA 天線架構(gòu)的升級，下一代 AESA 天線將在同一個射頻前端組合產(chǎn)生不同工作模式，包括雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)，這將產(chǎn)生更高的單片微波集成電路（MMIC）的需求，對應(yīng) GaN 的需求也將相應(yīng)提升。在上述兩種因素的驅(qū)動下，軍用射頻市場持續(xù)景氣。
5G 宏基站和軍事應(yīng)用爆發(fā)有望推動 GaN 射頻市場高速增長。根據(jù) Qorvo 預(yù)測，全球基站和軍事GaN 射頻器件市場將分別從 2018 年的 2.1 億美元和 2.0 億美元增長到 2022 年的 13.6 億美元和5.2 億美元，CAGR 分別為 60%和 27%，全球 GaN 射頻器件市場規(guī)模將從 2018 年的 4.3 億美元達(dá)到 2022 年的 19.1 億美元，CAGR 約 45%。
快充快速起量
GaN 功率器件技術(shù)優(yōu)勢明顯：GaN 功率器件開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、電容小、禁帶寬度大、耐高溫、能量密度高、功率密度大，可在高頻情況下保持高效率水平，實(shí)現(xiàn)更高效的快充，適合于高功率電子產(chǎn)品。相比較而言，傳統(tǒng)硅器件開關(guān)速度越快，效率越低，在實(shí)現(xiàn)高功率充電上存在技術(shù)障礙。
GaN 可集成外圍驅(qū)動，減小整體體積：傳統(tǒng)的硅器件是垂直結(jié)構(gòu)，不能集成外圍驅(qū)動；GaN 功率器件是平面架構(gòu)，可以集成外圍驅(qū)動和控制電路，將 IC 體積做小，顯著降低成本。
多款 GaN 充電器問世，產(chǎn)品趨勢明顯。OPPO 在去年 11 月成為全球首家推出 GaN 充電器的手機(jī)廠商，但其 65W 快充僅支持其自有的 SuperVOOC 快充協(xié)議，且接口為 USB-A，無法兼容大部分筆記本電腦，僅適合OPPO產(chǎn)品。目前已有多家充電器廠商推出了GaN充電產(chǎn)品。在今年CES2020展上，30 家廠商展出了 66 款 GaN 快充充電器，體積均小于傳統(tǒng)充電器，且大部分產(chǎn)品均支持 PD、QC 等快充協(xié)議，配置 USB-C 接口。即將發(fā)布的 Realme X50 Pro 有望采用 65W SuperDart 超級閃充 GaN 充電器。5G 手機(jī)功耗的提高帶來更強(qiáng)烈的快充需求，65W、甚至 100W 以上充電器有望快速普及，GaN 快充充電器有望成為市場主流。
GaN 功率半導(dǎo)體市場高速增長。根據(jù) Yole，全球 GaN 功率半導(dǎo)體市場規(guī)模在 2018 年僅為 873 萬美元，保守預(yù)測到 2024 年將超過 3.5 億美元，18-24 年的年均復(fù)合增長率達(dá)到 85%。若按樂觀的情況估計，蘋果、三星、華為等手機(jī)廠商同樣采用 GaN 電源適配器，預(yù)計 2024 年全球 GaN 功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將超過 7.5 億美元。我們推測，如果筆記本電腦、平板電腦、輕混電動汽車等都采用 GaN 快充，市場空間有望更大。
4. SiC：高壓功率半導(dǎo)體關(guān)鍵器件，受益于新能源汽車快速增長
4.1 SiC：主要應(yīng)用于高電壓功率半導(dǎo)體領(lǐng)域
SiC 是一種新型半導(dǎo)體材料，SiC 功率器件的研發(fā)自 1970 年代便已開始，2001 年英飛凌推出了第一款 SiC 器件——300V~600V(16A)的 SiC 肖特基二極管，隨后，SiC 功率器件開始了迅速的商業(yè)化發(fā)展，2007 年 SiC JFET、BJT 上市，2011 年首款 1.2kV SiC MOSFET 上市，2015 年 SiC Trench MOSFET 開始導(dǎo)入市場，2016 及 2017 年，3.3kV 和 6.4kV SiC 功率 MOSFET 試樣出現(xiàn)，SiC 功率器件不斷向更高壓拓展。2018 年，特斯拉 Model3 首次采用 SiC 功率器件。伴隨電動汽車的發(fā)展，SiC 市場來到了一個新的快速發(fā)展的階段。
SiC 更適合高壓功率器件應(yīng)用，未來前景廣闊。SiC 與傳統(tǒng)的 Si 半導(dǎo)體相比，具有寬禁帶（Si 的3 倍左右）、高擊穿場強(qiáng)（Si 的 9 倍以上）、高熱導(dǎo)率（Si 的 2.5 倍以上）、高工作溫度（Si 的 2 倍）、高電子遷移率（Si 的 2 倍以上）的性能特征，在應(yīng)用中具有電荷損失少、耐高壓、高溫高頻性能好的特點(diǎn)，能夠降低器件功耗、節(jié)約散熱成本、小型化器件，并可用于大型高壓設(shè)備。未來在汽車、工業(yè)、IT 及消費(fèi)電子等多個領(lǐng)域的應(yīng)用中有替代 Si 基器件的潛力，未來前景廣闊。
4.2 新能源汽車及充電樁數(shù)量快速增長，SiC 器件需求旺盛
未來幾年中，新能源汽車及充電樁將成為 SiC 功率半導(dǎo)體市場快速增長的主要驅(qū)動力量。新能源汽車應(yīng)用中，SiC 功率半導(dǎo)體相比于 Si 基器件可實(shí)現(xiàn)輕量化和高效率。新能源汽車系統(tǒng)中，應(yīng)用功率半導(dǎo)體的組件主要包括：DC/AC 逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動器和車載充電器（OBC）。目前，電動汽車中的功率半導(dǎo)體器件主要為 Si 基器件，但新興 SiC 功率器件在性能上更具優(yōu)勢。在 DC/AC 逆變器的設(shè)計中，SiC 模組代替 Si 模組能夠顯著降低逆變器的重量和尺寸，同時做到節(jié)能，在相近的功率等級下，SiC 模組逆變器重量可降低 6kg，尺寸可降低 43%，同時開關(guān)損耗降低75%。在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中，SiC-MOSFET 替代 Si-IGBT 能夠提高輸入、輸出電壓，并且可以提高開關(guān)頻率（開關(guān)頻率越高，輸出電容和電感越小，從而節(jié)省電路板面積）和功率密度，實(shí)現(xiàn)組件的小型化。此外，根據(jù) Aachen University 的數(shù)據(jù)，在相同的輸入功率下，三相 SiC DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率要平均高出對應(yīng)的單相 Si DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率 1 個百分點(diǎn)左右。
SiC 功率器件輕量化、高效率、耐高溫的特性有助于有效降低新能源汽車系統(tǒng)成本。以 2018 年特斯拉 Model 3 中首次搭載的 SiC 功率器件為例，其輕量化的特性節(jié)省了電動汽車內(nèi)部空間，高效率的特性有效降低了電動汽車電池成本，耐高溫（200 度也能正常工作）的特性降低了對冷卻系統(tǒng)的要求，節(jié)約了冷卻成本。雖然應(yīng)用 SiC 功率器件增加了 300 美元左右的前期成本，但是以上方面的改觀可節(jié)約近 2000 美元的系統(tǒng)成本，總體來看，采用 SiC 功率器件帶來了 1700 美元以上的正收益。
受益于新能源汽車中功率半導(dǎo)體價值大幅提升和新能源汽車銷售放量增長，車用 SiC 功率器件有望充分受益。根據(jù)英飛凌的統(tǒng)計，傳統(tǒng)燃油車向新能源汽車升級大幅增加了半導(dǎo)體器件的價值，約從平均 355 美元增加至 695 美元，而其中半導(dǎo)體功率器件增幅更為顯著，約從原 17 美元增長 15倍至 265 美元，為功率半導(dǎo)體尤其是 SiC 功率半導(dǎo)體帶來了更大的機(jī)遇。根據(jù)英飛凌的預(yù)測，SiC器件在新能源車中的滲透率有望不斷提升，將從 2020 年的 3%提升至 2025 年的 20%。根據(jù)國際能源署（IEA）的預(yù)測，在可持續(xù)發(fā)展情境下，全球電動汽車保有量將從 2019 年的 720 萬輛以年均超過 36%的增速增長至 2030 年的 2.45 億輛。在上述兩種因素的作用下，預(yù)計車用 SiC 功率器件將維持旺盛的需求。
充電樁建設(shè)加速，為 SiC 功率器件市場打開了一個新的增量市場。根據(jù)國家發(fā)改委的數(shù)據(jù)，截至2019 年底，我國充電設(shè)施數(shù)量 120 多萬個，與 380 多萬量的新能源車保有量相比仍是短板，未來建設(shè)將持續(xù)加速，僅 2020 年就預(yù)計新建充電樁 60 萬個以上。一個直流充電樁大約需要 170 個MOS，SiC 器件用在充電樁中具有高功率密度、超小體積的優(yōu)勢，并且支持快速充電，成為未來的發(fā)展趨勢。根據(jù) CASA 測算，2018 年充電樁中 SiC 功率器件的滲透率僅有 10%左右。未來 SiC 在充電樁中滲透率提升疊加充電樁建設(shè)加速，充電樁市場有望為 SiC 功率器件帶來顯著市場增量。
受益于新能源汽車及充電樁建設(shè)的推動，SiC 功率器件市場將持續(xù)高速增長。根據(jù) Yole 的預(yù)測，全球電動汽車和充電樁 SiC 功率器件市場規(guī)模將從 2018 年的 0.65 億美元增長至 2023 年的 4.4 億美元以上，CAGR 約 46%。除此之外，軌道交通、供電、電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域也將保持較快的增速。總體來看，全球 SiC 功率器件市場規(guī)模將從 2018 年的 3.7 億美元增長至 2023 年的近 14 億美元，CAGR 超過 30%。
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