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碳化硅传统需求增长乏力,半导体材料领域有望成为碳化硅产业增长的突破口【图】

2019年01月25日 13:14:59字号:T|T

    碳化硅以硅石、无烟煤、石油焦碳等为主要原料,在高温电阻炉里形成,呈黑色或绿色,碳化硅产品主要分为黑碳化硅及绿碳化硅。碳化硅脆而锋利,具有高温热稳定性、高热传导性、耐酸碱腐蚀性、低膨胀系数、抗热震好等等一系列的优良性能。目前被广泛应用于耐火材料、铸造、磨料、陶瓷、电子及其他领域。

碳化硅产业链示意图

碳化硅主要用途

领域
简介
耐火及铸造
用作耐火材料的原料、钢铁冶炼中的还原剂
磨料及陶瓷
可用碳化硅制作磨具,适用于磨削低强度材料,如橡胶、塑料、木材等软性材料。也适用于磨削铸铁、玻璃、陶瓷等材料。
电子及其他
因其良好的导电性能,碳化硅已经被开发用于制作芯片、蓝紫光发光二级管的基底

资料来源:智研咨询整理

    据统计,我国碳化硅企业200多家,碳化硅行业产能在220万吨左右,碳化硅生产企业主要分布在甘肃、宁夏、青海、新疆、河南、四川、贵州、湖北等地区。

    而目前国内市场对碳化硅的需求仅为70多万吨,主要用于低附加值的磨料磨具、耐火材料领域,国内高端领域市场如智能电网、新能源汽车、军用电子系统等由于尚处于发展初期对碳化硅的市场还未完全打开,因此我国碳化硅行业目前面临着产能过剩,新设备、新厂区开工不足的局面。

    智研咨询发布的《2019-2025年中国碳化硅行业市场运营态势及发展前景预测报告》显示:2017年我国碳化硅产量为108万吨,其中黑碳化硅产量为100万吨,2017年甘肃地区黑碳化硅产量约为40万吨,宁夏地区黑碳化硅产量约为34万吨,青海地区黑碳化硅产量约为3万吨,内蒙古地区黑碳化硅产量约为2.5万吨,黑龙江地区黑碳化硅产量约为1.7万吨,湖北以及四川地区均在1.5万吨左右。2017年我国绿碳化硅产量下滑至8万吨,新疆绿碳化硅产量约为4.5万吨,青海绿碳化硅产量约为3.5万吨。

2011-2017年我国碳化硅产量走势图

资料来源:智研咨询整理

2017年我国主要省市黑碳化硅产量统计图

资料来源:智研咨询整理

2017年我国主要省市绿碳化硅产量统计图

资料来源:智研咨询整理

    根据海关发布的统计数据2017年我国碳化硅进口数量为0.13万吨,年度出口数量为30.91万吨,国内碳化硅表观消费量仅为77.22万吨。

2011-2017年我国碳化硅供需平衡走势图

资料来源:智研咨询整理

2009-2017年我国碳化硅进出口统计

年份
进口金额(美元)
进口数量(千克)
出口金额(美元)
出口数量(千克)
2009年
4068312
1319104
176652690
118379730
2010年
9732680
2516028
438278879
223151318
2011年
14497021
4631900
494055657
216234183
2012年
8166612
3584226
274578910
164969282
2013年
10600991
7114135
315620714
286671680
2014年
9803745
4354036
354350070
319774691
2015年
10193331
3099476
305381498
314771488
2016年
7047148
1654445
281768292
321464707
2017年
7017882
1261710
309092992
383972754

资料来源:智研咨询整理

    半导体材料的种类繁多,无论是单质或是化合物,还是无机物或有机物,都可以作为半导体材料。从化学式上来看,半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两大类,单质半导体包括硅(Si)、锗(Ge)等,化合物半导体包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。

三代半导体及应用分类

代系
典型代表
特征
第一代
硅基和锗基半导体
适用于数据的运算和存储;其中以硅基半导体技术成熟,应用也较广
第二代
以砷化镓、磷化铟为基础
解决信息通信,应用领域包括半导体激光器、光纤通信、宽带网等信息传输和存储等
第三代
以氮化镓、氮化铟、氮化铝、碳化硅基础
在电和光的转化方面性能突出,在微波信号传输方面的效率更高,可被广泛应用到照明、显示、通讯等各个领域

资料来源:智研咨询整理

    第二和三代半导体统称为化合物半导体,化合物半导体材料制成的高频、高速、防辐射的高温器件,通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、军事电子等领域。

三代半导体材料的物理特性对比

参数
Si
GaAS
GaN
SiC
禁带宽度(eV)
1.1
1.4
3.4
3.2
介电常数
11.8
12.8
9.0
9.7
击穿场强(10^6V/cm)
0.6
0.7
3.5
2.5
热传导率(W/m℃)
130
46
170
370
电子迁移率(cm2/V·s)
700
4700
1600
600
饱和速度(10^7cm/s)
1.0
2.0
2.5
2.0

资料来源:智研咨询整理

    碳化硅具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高、介电常数低及化学稳定性好等诸多优点,是新世纪有广阔发展潜力的第三代新型半导体材料。碳化硅晶片和外延衬底在通信、汽车、电网、航空、航天、石油开采以及国防等各个领域有着广泛的应用前景。

    当前碳化硅这种物理化学性能优异的新型材料越来越应用广泛,随着碳化硅产量的快速提升,其生产成本将不断下降,优异的性能将使得碳化硅在功率器件领域逐步实现对Si半导体的替代。面对晶体市场,电源管理元件市场,晶片市场,碳化硅半导体材料未来发展和替代空间巨大。

    碳化硅半导体产业属于朝阳产业,碳化硅半导体产业的发展需要强大的资金支持。欧洲、美国、日本通过国家项目支持,实现快速产业化。欧洲实行以设备设计需求定制器件研发的大集团合作方式,取得了不少成果;美国政府高度重视,投入巨资,大力支持Cree等领军企业,目前占据碳化硅技术前沿,并已将碳化硅器件应用于国防及航空航天等重要领域;日本推行以应用为导向,降低成本的产业发展策略,也取得了极大的成效。

    我国是全球最大的碳化硅应用市场,但我国的碳化硅产业很不完善,国内从事碳化硅材料及器件研发制造的多为高校和科研院所,产业化能力缺乏。中国要发展碳化硅半导体产业,同样需要政府投入,需要产、学、研的合作,需要材料、器件和封装产业链的整合。
可以预见碳化硅未来最大的应用市场在中国,行业参与者要抓住这个契机,尽快推进碳化硅半导体产业的成熟,改变我国半导体行业一直落后于美日欧等发达国家的局面。

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