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以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體具有出色的性能，例如高頻、高效率、高輸出、耐高壓、耐高溫和強(qiáng)抗輻射性，眾多特點(diǎn)切合節(jié)能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰(zhàn)略需求，它們支撐新一代移動通信、新能源汽車、高速軌道列車等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的中心核心材料和電子元器件，已成為全球半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭焦點(diǎn)。
碳化硅性能優(yōu)勢明顯
由于碳化硅的禁止寬度是硅的三倍，所以碳化硅器件的泄漏電流明顯小于硅器件的泄漏電流，從而降低了功率損耗。其次，碳化硅能耐高壓，并且其擊穿電場強(qiáng)度是硅的十倍以上。最后，碳化硅能耐高溫。 碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高，這使其更易于散發(fā)器件的熱量。 但是，目前各種碳化硅器件的成本是硅基器件的2.4-8倍，其中襯底成本和外延成本最高，分別占47%和23%。
從全球碳化硅襯底市場格局來看，美國的CREE在2018年以62%的市場份額領(lǐng)先，其次是美國的II-VI，市場份額約為16%。 總體而言，美國制造商主導(dǎo)著碳化硅市場。
電動汽車推動碳化硅市場爆發(fā)
第三代半導(dǎo)體另一個重要產(chǎn)品碳化硅，則將受益于電動汽車行業(yè)的快速成長而迎來爆發(fā)機(jī)會。
隨著新能源汽車的發(fā)展，對功率半導(dǎo)體器件的需求日益增長。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)燃料汽車中，半導(dǎo)體器件的平均價值為355美元，而新能源汽車中，半導(dǎo)體器件的價值為695美元，幾乎翻了一番，其中，功率器件的增長最為顯著，從17美元增加到265美元，增長幅度近15倍。目前市場上，用于新能源汽車的大多數(shù)功率半導(dǎo)體都是硅基器件，例如硅基IGBT和硅基MOSFET。隨著技術(shù)和產(chǎn)品的成熟，第三代半導(dǎo)體將逐漸取代大多數(shù)硅基產(chǎn)品，市場對碳化硅的需求量越來越大。
在2019年，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體電力電子設(shè)備應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域取得了快速進(jìn)展。全球有20多家汽車制造商在其車載充電器中使用碳化硅器件。特斯拉Model 3逆變器使用ST Microelectronics的全碳化硅功率模塊。各汽車制造商都計劃于未來幾年內(nèi)將碳化硅電力電子器件用于主逆變器中。在充電基礎(chǔ)設(shè)施方面，臺達(dá)聯(lián)手通用等合作開發(fā)，將碳化硅功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用于400KW的拆快讀充電器中。在電驅(qū)動方面，Cree聯(lián)手，雙方都已達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，促進(jìn)使用基于碳化硅的逆變器開發(fā)電驅(qū)動動力總成。
碳化硅在光伏產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用
在太陽能應(yīng)用中，基于硅器件的傳統(tǒng)逆變器的成本約占系統(tǒng)的10%，但卻是導(dǎo)致系統(tǒng)能量損耗的主要原因之一。將碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器可將轉(zhuǎn)換效率從96%提高到99%以上，能源消耗有50%以上的降幅，并且設(shè)備使用壽命能夠提升50%，達(dá)到減少系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長設(shè)備壽命和降低制造成本的效果。高效率、高功率密度，高可靠性和低成本是太陽能逆變器的未來發(fā)展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品有望逐步取代硅基器件。
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈依次為上游襯底，中游外延晶片制造，下游器件制造。從整個碳化硅產(chǎn)業(yè)來看，美國、日本和歐洲是產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的三老巨頭。其中，美國全球獨(dú)大，占世界碳化硅產(chǎn)量的70%至80%。CREE在碳化硅晶片市場中的市場份額高達(dá)60%；歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件和應(yīng)用程序的產(chǎn)業(yè)鏈，并且在全球電力電子市場中擁有較強(qiáng)的影響力。日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)導(dǎo)者。自上世紀(jì)八十年代以來，美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家一直將寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)置于極其重要的戰(zhàn)略地位，以保持在航空航天、軍事和技術(shù)上的領(lǐng)先地位。這些國家和地區(qū)在碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域，已走在世界前列。碳化硅半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)化主要以英飛凌、Cree公司、GE和羅姆公司、豐田公司等為代表。
國內(nèi)碳化硅半導(dǎo)體企業(yè)正全力趕超
與美日歐相比之下，我國碳化硅企業(yè)在技術(shù)、產(chǎn)能等方面雖然仍有欠缺，國內(nèi)擁有全球最大的消費(fèi)市場，增長速度高于世界平均水平。國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從 2015 年開始高速增長，從終端市場看未來應(yīng)用將廣泛擴(kuò)展到人工智能、新能源汽車、自動駕駛、5G 技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體器件在新興應(yīng)用領(lǐng)域的滲透迅猛，國內(nèi)市場化進(jìn)度顯著快于國外。當(dāng)前我國碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈已初具規(guī)模，具備將碳化硅產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，國內(nèi)企業(yè)有望在本土市場應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)彎道超車，一些代表性的企業(yè)如天科合達(dá)、山東天岳、河北同光等競爭力不斷提高。
碳化硅半導(dǎo)體具有廣泛的潛在應(yīng)用，在新能源汽車、太陽能發(fā)電和其他電力相關(guān)領(lǐng)域均具有潛在價值。隨著下游行業(yè)對具有輕量化、高轉(zhuǎn)換效率和低發(fā)熱特性的半導(dǎo)體功率器件的需求不斷增長，工業(yè)發(fā)展不可避免地要用碳化硅代替功率器件中的硅。然而，碳化硅單晶和外延材料的高成本、材料缺陷等問題尚未完全解決，制造難度高，不成熟的器件封裝無法滿足高頻和高溫應(yīng)用的需求，全球碳化硅技術(shù)與產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，因此碳化硅器件市場的擴(kuò)張步伐在一定程度上受到限制。
碳化硅材料具有出色的耐熱性、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性，應(yīng)用前景非常廣闊。作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅得到外界越來越多的關(guān)注和重視，現(xiàn)已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。未來發(fā)展空間不可限量。在各國加緊布置的同時，國內(nèi)也需要加快碳化硅半導(dǎo)體的整體研究與開發(fā)，創(chuàng)建一個獨(dú)立且具有國際競爭力的碳化硅材料和器件產(chǎn)業(yè)。
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