碳化矽（SiC）材料前景可觀。隨著SiC功率器件的成本下降，有望引領包括新能源汽車在內的諸多行業，在功率半導體使用上迎來大規模升級迭代，短期看與MOSFET、混合模塊等器件的結合路徑，在操作性和經濟性角度存在一定優勢，有望繼續成為部分主機廠商未來2-3年的新選擇、新需求。
碳化矽功率半導體近年來在能源轉換應用中正在成為一個熱門的話題：SiC功率半導體憑藉其低功耗、長壽命、高頻率、體積小、質量輕等優勢，在EV、軌交、通信及光伏領域具備較強的替代潛力。
SiC處在爆發式增長的前期
▌SiC材料性能領先，全生命周期成本優勢可期
據TexasInstruments的研究顯示，SiC相對上兩代材料具備高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高熱導率等優勢，更適用於高功率環境。以Model3為例，結合Microsemi的資料進行測算，在一定的成本降幅下，SiC器件系統成本經濟性有望在未來3-4年實現。
SiC與Si相比，在耐高壓、耐高溫、高頻等方面具備碾壓優勢，是材料端革命性的突破。
1）耐高壓：SiC擊穿場強是Si的10倍，這意味著同樣電壓等級的SiCMOS晶圓的外延層厚度只需要Si的十分之一，對應的漂移區阻抗大大降低，而且禁帶寬度是Si的3倍，導電能力更強；
2）耐高溫：SiC熱導率及熔點非常高，是Si的2-3倍；
3）高頻：SiC電子飽和速度是Si的2-3倍，能夠實現10倍的工作頻率。
▼SiC與Si相比具有優異的材料特性
▌SiC與功率器件加速融合，全球廠商加速布局
SiC-JBS二極體和MOSFET電晶體因其性能優越，成為目前應用最廣泛、產業化成熟度最高的SiC功率器件；SiC（混合）模塊成為當前較多廠商的應用選擇。
根據IHS數據，2017年SiC器件市場，Cree佔據了26%的市場份額，其次為羅姆（21%）和英飛凌（16%）。
SiC與功率器件：從二極體、電晶體到模塊
SiC與功率器件主要的結合方式，包括二極體、電晶體和模塊（混合模塊）三大類。
（一）SiC功率二極體：主要包括肖特基二極體（SBD）、PIN二極體、結勢壘控制肖特基二極體（JBS）三種類型。SiC-SBD的出現，幫助SBD的應用電壓範圍，從250V提高到1200V。在3kV以上的整流器應用領域，SiC-PiN和SiC-JBS較Si基整流器具有更高的擊穿電壓、更快的開關速度、更小的體積和更輕的重量，實際應用正不斷增加。
（二）SiC電晶體：主要包括金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）、雙極型電晶體（BJT）、結型場效應電晶體（JFET）、絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等，目前在車用領域，SiC-MOSFET已經在部分車型中開始商業化應用。
總體來看，SiCJBS二極體和MOSFET電晶體由於其性能優越，成為目前應用最廣泛、產業化成熟度最高的SiC功率器件。
（三）SiC（混合）模塊：隨著由Si-IGBT晶片和Si-FWD晶片組成的IGBT模塊在追求低耗的道路上走向理論極限，而具有耐熱性和耐高壓擊穿能力的SiC器件成本仍較高，混合型SiC模塊（Si-IGBT+SiC-SBD）被認為是綜合器件性能和材料成本的折衷優化選擇。
為進一步提升SiC功率器件的電流容量，通常採用模塊封裝的方法把多個晶片進行並聯集成封裝。
SiC功率模塊率先從由IGBT-Si基晶片和SiCJBS二極體晶片組成的混合功率模塊產品發展而來。
SiC混合模塊採用大晶片面積、大電流等級的Si-IGBT作為主器件，小晶片面積、小電流等級的SiC-MOSFET作為輔助器件。
二者並聯實現小電流時由SiC-MOSFET導通，此時SiC-MOSFET極低的導通電阻可以有效減少導通功耗；大電流時由IGBT導通，此時IGBT大電流下導通壓降小的優勢也可以減少導通損耗。
▼SiC混合模塊結構原理圖
隨著SiC-MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司，相繼開發了由SiC-JBS二極體和SiC-MOSFET組成的全SiC功率模塊。
目前，SiC功率模塊產品最高電壓等級為3300V，最大電流700A，最高工作溫度為175℃。
在研發領域，SiC功率模塊最大電流容量達到1200A，最高工作溫度達到250℃，並採用晶片雙面焊接、新型互聯和緊湊型封裝等技術來提高模塊性能。
性能優勢顯著，功耗與體積改善明顯
SiC的功率器件如SiCMOS，相比於Si基的IGBT，其導通電阻可以做的更低，體現在產品上面，就是尺寸降低，從而縮小體積，並且開關速度快，功耗相比於傳統功率器件要大大降低。
在電動車領域，電池重量大且價值量高，如果在SIC器件的使用中可以降低功耗，減小體積，那麼在電池的安排上就更遊刃有餘；同時在高壓直流充電樁中應用SIC會使得充電時間大大縮短，帶來的巨大社會效益。
▼SiC MOS相比Si功率器件的對比
根據Cree提供的測算：將純電動車BEV逆變器中的功率組件改成SiC時,大概可以減少整車功耗5%-10%；這樣可以提升續航能力，或者減少動力電池成本。
總結來說，SiC器件具備的多種優勢將帶動電動車續航能力的提升：
高電能轉換效率：SiC屬於寬能隙材料,擊穿場強度大比Si基半導體材料更適用在高功率的應用場景；
高電能利用效率：SiC屬於寬能隙材料,擊穿場強度大比Si基半導體材料更適用在高功率的應用場景；
低無效熱耗：開關頻率高,速度快,所產生無效的熱耗減少,使電路、散熱系統得以簡化。
與傳統Si-IGBT器件對比，混合SiC器件的IGBT導通損耗可以減少55%，二極體關斷損耗可以減少95%，將該混合器件運用到鐵路牽引系統，預計將減少30%的功率損耗。
工作損耗的降低以及工作溫度的上升使得集成度更高，因此相比於相同電流大小的SiIGBT器件，混合SiC器件體積可以減小30%左右。
▼混合SiC器件和傳統Si器件性能對比（一）
▼混合SiC器件和傳統Si器件性能對比（二）
▼SiC混合模塊與IGBT（Si基）模塊對比
▌高功率場景前景光明，產業化在即
據IHS數據，2023年全球SiC器件需求有望達16.44億美元，2017-2023年複合增速約為26.6%；下遊主要應用場景包含EV、快充樁、UPS電源（通信）、光伏、軌交以及航天軍工等領域，其中電動車行業有望迎來快速爆發（CAGR81.4%），通信、光伏等市場空間較大。伴隨SiC器件成本下降，全生命周期成本性能優勢有望不斷放大，潛在替代空間巨大。
目前SiC功率器件主要定位於功率在1kw-500kw之間、工作頻率在10KHz-100MHz之間的場景，特別是一些對於能量效率和空間尺寸要求較高的應用。
如電動汽車車載充電機與電驅系統、直流充電樁（快充樁）、光伏微型逆變器、高鐵、智能電網、工業級電源等領域，可替代部分矽基MOSFET與IGBT。
▼從功率和頻率角度選取功率半導體器件
功率半導體行業發展趨勢
功率半導體用於所有電力電子領域，市場成熟穩定且增速緩慢。行業發展主要依靠新興領域如新能源汽車、可再生能源發電、變頻家電等帶來的巨大需求缺口。
行業發展趨勢一：不需要追趕摩爾定律，倚重製程工藝、封裝設計和新材料迭代，整體趨向集成化、模塊化
功率半導體整體進步靠製程工藝、封裝設計和新材料迭代。
設計環節：功率半導體電路結構簡單，不需要像數字邏輯晶片在架構、IP、指令集、設計流程、軟體工具等投入大量資本。
製造環節：因不需要追趕摩爾定律，產線對先進設備依賴度不高，整體資本支出較小。
封裝環節：可分為分立器件封裝和模塊封裝，由於功率器件對可靠性要求非常高，需採用特殊設計和材料，後道加工價值量佔比達35%以上，遠高於普通數字邏輯晶片的10%。
提升性能和降低成本推動晶片向集成化、小型化發展。根據Omdia預測，2020-2024年分立器件市場增速為2.2%，而功率模塊市場增速為5.4%。
新興市場使中高端產品如IGBT和功率MOSFET需求變大。
根據WSTS數據統計，全球功率MOSFET增速為7.6%，IGBT為8.9%。
目前，根據在研項目和產品布局看，國內企業開始向價值量更高的中高端產品轉型。
行業發展趨勢二：新能源與5G通信推動第三代半導體興起
新能源、5G等新興應用加速第三代半導體材料產業化需求，我國市場空間巨大且有望在該領域快速縮短和海外龍頭差距。
①天時：第三代材料在高功率、高頻率應用場景具有取代矽材潛力，行業整體處於產業化起步階段。
②地利：受下遊新能源車、5G、快充等新興市場需求以及潛在的矽材替換市場驅動，目前深入研究和產業化方向以SiC和GaN為主，國內市場空間巨大。
③人和：第三代半導體核心難點在材料製備，其他環節可實現國產化程度非常高，加持國家在政策和資金方面大力支持。
該行業技術追趕速度更快、門檻準入較低、國產化程度更高，中長期給國內功率半導體企業、襯底材料供應商帶來更多發展空間確定性更強。
行業發展趨勢三：IDM模式更適合功率半導體行業，代工可以提供產能、工藝技術補充
海外功率半導體龍頭企業都採用IDM模式，國內功率半導體行業商業模式以IDM為主，設計+代工為輔。
目前，國內IDM企業（如士蘭微）和代工企業（如中芯紹興）都在積極擴充產能和升級產線，從4/6寸升級到6/8寸甚至更高，整體追趕國際主流水平。
產能擴充可以認為公司技術儲備和產品性能已經達到國際同類產品水平，後續通過開拓客戶和搶佔市場份額實現營收增長。
IDM與代工並行符合國內行業格局現狀，雙模式運行並不衝突，有效利用我國產能資源，實現優勢互補。
IDM模式可以提高產品毛利並建立技術壁壘。
我國特色工藝和封裝技術處於國際先進水平，工藝技術和產能部署完善。功率半導體企業與代工企業長期合作，可以實現產能補充和獲得工藝技術支持。
市場：龍頭擴產，拉低器件價格
目前制約SiC功率器件大規模應用的核心原因依然是成本，主要源於低效的晶體生長過程。
傳統矽晶圓製作是將多晶矽在1500℃左右融化後，將籽晶放入其中邊勻速旋轉邊向上提拉形成約2m的矽錠，再進行切割、倒角、拋光、蝕刻、退火等步驟形成晶圓。
而SiC晶錠的製作相比Si則低效很多，普遍採用PVT法，將固態SiC加熱至2500℃升華後再在溫度稍低的高質量SiC籽晶上重新結晶，核心難點在於：
1）加熱溫度高達2500℃，且SiC生長速度很慢（<1mm/h）；
2）生長出的晶錠尺寸遠遠短於Si；
3）對籽晶要求很高，需要具備高質量、與所需晶體直徑一致等特點；
4）SiC晶錠硬度較高，加工及拋光難度大；
基於SiC襯底，普遍採用化學氣相沉積技術（CVD）獲得高質量外延層，隨後在外延層上進行功率器件的製造。
由於SiC襯底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度，會進一步幹擾外延層生長，外延層本身也會產生結晶缺陷，影響後續器件性能。
▼SiC晶圓外延層生長
另一方面，SiC晶圓的尺寸迭代與Si相比仍處於較為早期的階段。
目前Cree、ST等主流廠商都已經量產6英寸的晶圓，並同步進行8英寸的研發，計劃最早於2022年量產8英寸晶圓。
單片8英寸晶圓晶片產量可達到6寸的1.8倍，但同時也面臨著缺陷密度變高等難題。
據專業人士分析，2022年有望成為SiC價格下降的關鍵轉折點，因為主流豪華品牌開始量產採用SiC方案的車型，這將大幅提升Cree等襯底廠商8英寸線的產能利用率，到2025年SiC器件價格有望下降到當前水平的1/4-1/3，結合電池成本的節省，SiC的經濟性和性能優勢將充分顯現。
▼CreeSiC晶圓的迭代歷史
從產業鏈分工的角度來看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底→外延→器件→模塊垂直供應的體系。
而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購買SiC襯底，隨後自行進行外延生長並製作器件及模塊。
Infineon在收購Wolfspeed失敗後，做出戰略調整，認為襯底研發高風險、高投入、耗時久，希望在保持低CAPEX的同時提高襯底的利用效率，因此收購德國Siltectra，藉助其ColdSplit技術有效降低每片SiC襯底晶圓的厚度，晶片產量至少提升一倍。
國內廠商在SiC領域還處於相對落後的階段，在襯底端，天科合達（TankeBlue）、山東天嶽（SICC）合計出貨量僅有2%，中車時代6英寸SiC器件生產線於2018年2月通線，器件和模組端逐步向商業化推進。
SiC產業鏈分為三大環節：上遊的SiC晶片和外延→中間的功率器件的製造（包含經典的IC設計→製造→封裝三個小環節）→下遊工控、新能源車、光伏風電等應用。
目前上遊的晶片基本被美國CREE和II-VI等美國廠商壟斷；國內方面，SiC晶片商山東天嶽和天科合達已經能供應2英寸~6英寸的單晶襯底，且營收都達到了一定的規模（今年均會超過2億元RMB）；SiC外延片：廈門瀚天天成與東莞天域可生產2英寸~6英寸SiC外延片。
▼大陸第三代半導體SiC產業鏈分布圖
▼國際及中國臺灣第三代半導體SiC產業鏈分布圖
目前，美、歐、日廠商在全球碳化矽產業中較為領先，其中美國廠商佔據主導地位。隨著中美貿易戰的不斷升級，半導體晶片領域成為了中美必爭之地，伴隨著中興、華為事件，國家越來越重視晶片，高端裝備等領域的國產化。此外，SiC材料和器件在軍工國防領域的重要作用，也越來越突出。SiC外延設備在推動產業鏈國產化過程中，意義尤為重大。
本文轉載自第三代半導體聯合創新孵化中心（ID：casazlkj )