深度：硅时代将落幕？第三代半导体材料时代来临【附下载】| 智东西内参

▲SiC 功率器件的发展历史

SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

降低能量损耗。SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的高速开关工作，全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

低阻值使得更易实现小型化。SiC 材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可达到仅为 Si 的 1/10 左右。

更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev，相应的本征温度可高达 800 摄氏度，承受的温度相对 Si 更高；SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的热导率，而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

▲SiC 能大大降低功率转换中的开关损耗

▲SiC 更容易实现模块的小型化、更耐高温

2、 SiC 产业链：欧美占据关键位置

SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。

SiC 衬底： SiC 晶体通常用 Lely 法制造，国际主流产品正从 4 英寸向 6 英寸过渡，且已经开发出 8 英寸导电型衬底产品，国内衬底以4 英寸为主。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较长时间。

SiC 外延：通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺杂类型，分为 n 型、p 型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

SiC 器件：国际上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化，主流产品耐压水平在 1200V 以下，封装形式以 TO 封装为主。价格方面，国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5~6 倍，正以每年 10%的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上线，未来 2~3年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应 Si 产品2~3 倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC 逐步占领 Si 器件的市场空间。

▲SiC 器件生产流程

▲SiC 产业链及主要工序

全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，全球 SiC 产量的 70%~80%来自美国公司，典型公司是 Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

▲SiC 产业链各环节公司

2、SiC 市场：汽车是最大驱动力

SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中，典型市场包括轨交、功率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、充电桩、不间断电源（UPS）等。根据 Yole 的预测， 2017~2023 年，SiC 功率器件市场将以每年 31%的复合增长率增长， 2023 年将超过 15亿美元；而 SiC 行业龙头 Cree 则更为乐观，其预计短期到 2022 年，SiC 在电动车用市场空间将快速成长到 24 亿美元，是 2017 年车用 SiC整体收入（700 万美元）的 342 倍。

▲SiC 器件应用领域广泛

▲2022 年 SiC 在电动车市场规模达到 24 亿美金

SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，技术也已经趋于成熟，令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。与传统解决方案相比，基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上应用主要是功率控制单元、逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器等方面。

▲SiC 器件在四个关键领域提升电动汽车的系统效率

新能源车的功率控制单元（PCU）。PCU 是汽车电驱系统的中枢神经，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用硅基材料半导体制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则大大降低了这一过程中能量损失，将传统 PCU 配备的 Si 二极管置换成 SiC 二极管，Si IGBT 置换成 SiC MOSFET，就可以降低 10%的总能量损耗，同时也可以大幅降低器件尺寸，使得车辆更为紧凑。丰田中央研发实验室（CRDL）和电装公司从 1980 年代就开始合作开发 SiC 半导体材料，2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导体器件的新能源汽车 PCU，是这一领域的典型代表。

（编辑：52刷机网）

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