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來(lái)源：瑞迪微電子 受惠于電動(dòng)車,、5G基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域需求提升，SiC(碳化硅)功率元件正穩(wěn)步滲透到全球市場(chǎng),。據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),，2018年全球已有超過(guò)20家的汽車廠商在OBC中使用了SiC肖特基二極管或SiC MOSFET，未來(lái)SiC功率半導(dǎo)體在OBC市場(chǎng)中也有望以CAGR 44%的速度成長(zhǎng)至2023年,。據(jù)了解,，除了特斯拉最新的Model 3車型采用SiC MOSFET來(lái)提升電驅(qū)系統(tǒng)的工作效率及充電效率外,，歐洲的350KW超級(jí)充電站也正在加大SiC器件的采用。而在國(guó)內(nèi),，比亞迪、北汽新能源等車企也在加碼SiC器件在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用,，主要以汽車充電樁場(chǎng)景應(yīng)用為主,。科技總是不斷進(jìn)步的，半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段：
第一代半導(dǎo)體被稱為“元素半導(dǎo)體”,，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。其中,，硅基半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用比較廣,、技術(shù)比較成熟。截止目前,，全球半導(dǎo)體99%以上的半導(dǎo)體芯片和器件都是以硅片為基礎(chǔ)材料生產(chǎn)出來(lái)的,。在1950年時(shí)候，半導(dǎo)體材料卻以鍺為主導(dǎo),，主要應(yīng)用于低壓,、低頻及中功率晶體管中，但它的缺點(diǎn)也極為明顯,，那就是耐高溫和抗輻射性能較差,。到了1960年，0.75寸（20mm）單晶硅片的出現(xiàn),，讓鍺基半導(dǎo)體缺點(diǎn)被無(wú)限放大的同時(shí),，硅基半導(dǎo)體也徹底取代了鍺基半導(dǎo)體的市場(chǎng),。進(jìn)入21世紀(jì)后，通信技術(shù)的飛速發(fā)展,，讓GaAs（砷化鎵）,、InP（磷化銦）等半導(dǎo)體材料成為新的市場(chǎng)需求，這也是第二代半導(dǎo)體材料,，被稱為“化合物半導(dǎo)體”,。由于對(duì)于電子器件使用條件的要求增高，要適應(yīng)高頻,、大功率、耐高溫,、抗輻射等環(huán)境,，所以第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料迎來(lái)了新的發(fā)展。當(dāng)然,，第三代半導(dǎo)體材料也是化合物半導(dǎo)體，主要包括SiC,、GaN等,，至于為何被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料,，主要是因?yàn)槠浣麕挾却笥诨蛐∮?.3eV（電子伏特）,。同時(shí)，由于第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場(chǎng),、高飽和電子速度,、高熱導(dǎo)率,、搞電子密度、高遷移率等特點(diǎn),，因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子,、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”,。雖然同為第三代半導(dǎo)體材料，但由于SiC和GaN的性能不同,，所以應(yīng)用的場(chǎng)景也存在差異化,。
GaN的市場(chǎng)應(yīng)用偏向高頻小電力領(lǐng)域，集中在1000V以下,；而SiC 適用于1200V 以上的高溫大電力領(lǐng)域,，兩者的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了新能源汽車,、光伏、機(jī)車牽引,、智能電網(wǎng),、節(jié)能家電、通信射頻等大多數(shù)具有廣闊發(fā)展前景的新興應(yīng)用市場(chǎng),。與GaN 相比,，SiC熱導(dǎo)率是GaN 的三倍以上，在高溫應(yīng)用領(lǐng)域更有優(yōu)勢(shì),；同時(shí)SiC單晶的制備技術(shù)相對(duì)更成熟,，所以SiC 功率器件的種類遠(yuǎn)多于GaN。 SiC電力電子器件主要包括功率二極管和三極管(晶體管,、開關(guān)管),。SiC功率器件可使電力電子系統(tǒng)的功率、溫度,、頻率,、抗輻射能力、效率和可靠性倍增,，帶來(lái)體積,、重量以及成本的大幅減低。SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域可以按電壓劃分：低壓應(yīng)用(600 V至1.2kV)：高端消費(fèi)領(lǐng)域(如游戲控制臺(tái),、等離子和液晶電視等),、商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(如筆記本電腦、固態(tài)照明,、電子鎮(zhèn)流器等)以及其他領(lǐng)域(如醫(yī)療,、電信、國(guó)防等),；中壓應(yīng)用(1.2kV至1.7kV)：電動(dòng)汽車/混合電動(dòng)汽車(EV/HEV),、太陽(yáng)能光伏逆變器、不間斷電源(UPS)以及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(交流驅(qū)動(dòng)AC Drive)等,；高壓應(yīng)用(2.5kV,、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上)：風(fēng)力發(fā)電,、機(jī)車牽引,、高壓/特高壓輸變電等。以 SiC 為材料的二極管,、MOSFET,、IGBT 等器件未來(lái)有望在汽車電子領(lǐng)域取代 Si。對(duì)比目前市場(chǎng)主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET，可以發(fā)現(xiàn) SiC MOSFET 產(chǎn)品較Si基產(chǎn)品能夠大幅減少Die Size,，且表現(xiàn)性能更好,。但是目前最大阻礙仍在于成本，根據(jù) yoledevelopment測(cè)算,，單片成本SiC比Si基產(chǎn)品高出 7-8 倍,。SiC近期產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度加速，上游產(chǎn)業(yè)鏈開始擴(kuò)大規(guī)模和鎖定貨源,。整理全球SiC制造龍頭Cree公告發(fā)現(xiàn),，近期碳化硅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度開始加速，ST,、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游,。2018年2月，Cree與英飛凌簽訂了1億美元的長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議,，為其光伏逆變器,、機(jī)器人、充電基礎(chǔ)設(shè)施,、工業(yè)電源,、牽引和變速驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品提供 SiC 晶圓,。2018年10月,，Cree宣布了一項(xiàng)價(jià)值8500萬(wàn)美元的長(zhǎng)期協(xié)議，將為一家未公布名稱的“領(lǐng)先電力設(shè)備公司”生產(chǎn)和供應(yīng) SiC 晶圓,。2019年1月,，Cree與ST簽署一項(xiàng)為期多年的2.5億美元規(guī)模的生產(chǎn)供應(yīng)協(xié)議，Wolfspeed 將會(huì)向ST供應(yīng)150mm SiC晶圓,。據(jù)研究機(jī)構(gòu)IHS預(yù)測(cè),，到2025年SiC功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到30億美元。在未來(lái)的10年內(nèi),，SiC 器件將開始大范圍地應(yīng)用于工業(yè)及電動(dòng)汽車領(lǐng)域,。該市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素是由于電源供應(yīng)和逆變器應(yīng)用越來(lái)越多地使用 SiC 器件。數(shù)據(jù)來(lái)源：YoleDevelopment,、國(guó)盛證券研究所我們知道,，車用功率模塊(當(dāng)前的主流是IGBT)決定了車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，同時(shí)占電機(jī)逆變器成本的40%以上，是核心部件,。
目前,，IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)器成本的三分之一，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器約占整車成本的15~20%,，也就是說(shuō),，IGBT占整車成本的5~7%。2018年,，中國(guó)新能源汽車銷量按125萬(wàn)輛計(jì)算的話,，平均每輛車大約消耗450美元的IGBT，所有車共需消耗約5.6億美元的IGBT,。但SiC的出現(xiàn),，讓業(yè)內(nèi)人士抓住了新的機(jī)會(huì)。甚至有業(yè)者認(rèn)為,，未來(lái),，SiC將會(huì)徹底取代IGBT。那么,，那么,，市場(chǎng)為什么會(huì)如此青睞SiC呢?編者整理部分業(yè)者的看法，總結(jié)了以下三點(diǎn)：1,、SiC器件的工作結(jié)溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上,，耐壓可達(dá)20kV,，這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件；2,、SiC器件體積可減小到IGBT整機(jī)的1/3-1/5,，重量可減小到40-60%；3,、SiC器件還可以提升系統(tǒng)的效率,，進(jìn)一步提高性價(jià)比和可靠性。在電動(dòng)車的不同工況下,，SiC器件與IGBT的性能對(duì)比情況如下圖所示,，不同工況下，SiC的功耗降低了60-80%,，效率提升了1-3%,，SiC的優(yōu)勢(shì)可見一斑。整體來(lái)看,，SiC想要取代IGBT,，還需要解決良率、成本及可靠性等多方面難題,。換句話說(shuō),，如果SiC的性價(jià)比比不上IGBT，那么想要取而代之,，可能性很小,。當(dāng)然，SiC的未來(lái)前景還是可以期待的,，畢竟它的整體性能遠(yuǎn)超IGBT太多,，如果大規(guī)模用于新能源汽車后，將會(huì)極大程度提升其充電效率,、續(xù)航里程及減輕整車重量（最明顯的例子便是特斯拉Model3）,。至于取代IGBT只不過(guò)是時(shí)間問(wèn)題,，目前的市場(chǎng)狀態(tài)是,，SiC會(huì)逐漸取代IGBT在新能源汽車領(lǐng)域的部分市場(chǎng)，這種趨勢(shì)還會(huì)隨著SiC規(guī)?；慨a(chǎn)逐漸加大,。SiC大規(guī)模商用面臨哪些難點(diǎn)？ 從產(chǎn)業(yè)鏈角度看,，碳化硅包括單晶襯底,、外延片、器件設(shè)計(jì),、器件制造等環(huán)節(jié),，但目前全球碳化硅市場(chǎng)基本被在國(guó)外企業(yè)所壟斷。
在全球市場(chǎng)中,，單晶襯底企業(yè)主要有Cree,、DowCorning、SiCrystal、II-VI,、新日鐵住金,、Norstel等，外延片企業(yè)主要有DowCorning,、II-VI,、Norstel、Cree,、羅姆,、三菱電機(jī)、Infineon等,，器件方面,，全球大部分市場(chǎng)份額被Infineon、Cree,、羅姆,、意法半導(dǎo)體等少數(shù)企業(yè)瓜分。由于碳化硅產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)如芯片性能與材料,、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、制造工藝之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，不少企業(yè)仍選擇采用IDM模式,，如羅姆和Cree均覆蓋了碳化硅襯底,、外延片、器件,、模組全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié),，其中Cree占據(jù)襯底市場(chǎng)約40%份額、器件市場(chǎng)約23%份額,。事實(shí)上,，目前整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)尚未進(jìn)入成熟期，但國(guó)際廠商已實(shí)現(xiàn)多個(gè)環(huán)節(jié)規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)瓶頸的突破,，并已摩拳擦掌,、即將掀起一場(chǎng)大戰(zhàn)，而國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段,，與國(guó)際水平仍存在差距,。圖片來(lái)源：YoleDevelopment、國(guó)盛證券研究所就目前來(lái)看,，SiC芯片目前面臨的挑戰(zhàn)主要包括：1,、成品率低，成本高,。SiC在效能上較IGBT優(yōu)良,，但制造成本偏高,，由于SiC在磊晶制作上有材料應(yīng)力上的不一致性，造成晶圓尺寸放大時(shí),，會(huì)有磊晶層接合面應(yīng)力拉伸極限的問(wèn)題,，導(dǎo)致晶格損壞影響良率，故晶圓尺寸主流仍維持4寸或6寸,，無(wú)法取得大尺寸晶圓成本優(yōu)勢(shì),。2、SiC MOSFET缺少長(zhǎng)期可靠性數(shù)據(jù),，這一點(diǎn)還需要不斷實(shí)驗(yàn)與改進(jìn),。很明顯的體現(xiàn)就是，SiC芯片載流能力低,，而成本過(guò)高,，同等級(jí)別的SiC MOSFET芯片，其成本是硅基IGBT的8-12倍,。功耗方面,，SiC MOSFET先于硅基IGBT開通，后于IGBT關(guān)斷,，而IGBT可以實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓開關(guān)),，可大幅降低損耗。總體來(lái)看,，硅基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET芯片的90%,，而成本則是SiC MOSFET的25%，由于硅便宜又好用,，因此,，SiC和硅混合開關(guān)模塊會(huì)有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，而純SiC芯片及器件要想在汽車功率系統(tǒng)當(dāng)中普及,，還需要時(shí)間,。整體而言，由于制造成本與產(chǎn)能等因素,，初期SiC功率元件在新能源汽車市場(chǎng)的滲透率不高,。但隨著技術(shù)的不斷提升,，預(yù)估2023年前后市場(chǎng)會(huì)有顯著成長(zhǎng),，對(duì)IDM大廠而言，持續(xù)拓展產(chǎn)品線多元化應(yīng)用,、降低制造成本并提升產(chǎn)能,，將是拓展市場(chǎng)的重點(diǎn)。
在新能源汽車強(qiáng)勢(shì)需求的推動(dòng)下,，提前布局SiC已成為大勢(shì)所趨,。國(guó)內(nèi)企業(yè)需通過(guò)自主創(chuàng)新突破技術(shù)壁壘,，掌握自主的核心技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的基礎(chǔ)上,，借助發(fā)展新能源汽車的東風(fēng)將國(guó)產(chǎn)SiC推向世界,。
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