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。

第三代半導(dǎo)體材料崛起

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）。

圖片來源：網(wǎng)站

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)”。

新能源汽車帶給SiC的機(jī)遇

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)。

 圖片來源：ROHM

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。 

圖片來源：英飛凌

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。

圖片來源：ROHM
 

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)用越來越多地使用 SiC 器件。

數(shù)據(jù)來源：YoleDevelopment、國(guó)盛證券研究所

SiC會(huì)取代IGBT嗎？

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，IGBT占整車成本的5~7%。2018年，中國(guó)新能源汽車銷量按125萬輛計(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，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。

圖片來源：PSIC 2019論壇

整體來看，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，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只不過是時(shí)間問題，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。

圖片來源：YoleDevelopment、國(guó)盛證券研究所

就目前來看，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。

寫在最后

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。