這兩年，第三代半導體材料碳化硅（SiC）很火！媒體將2021年譽為「碳化硅爆發元年」，2022年為「碳化硅功率芯片應用的新元年」。資本市場也是聞風而動，與碳化硅擦點邊的標的扶搖直上。目前，國內外龍頭企業不斷布局碳化硅產業以及大量的新增產能，甚至跨行聯名款不斷湧現，似乎碳化硅半導體真的很簡單！
首先，我們要搞明白什麼是碳化硅半導體？
半導體產業的基石是芯片，製作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。如果說現代信息時代的科技原動力是建立在「摩爾定律」的基礎上，也就是硅基時代，那麼部分延續或重塑未來科技輝煌的希望就寄托在寬禁帶半導體材料上，尤其是功率、射頻器件領域。
一、為什麼要用碳化硅？
（1）碳化硅（SiC）是第三代半導體產業發展的重要基礎材料。與Si相比，SiC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。SiC擊穿場強是Si的10倍，這意味着同樣電壓等級的SiCMOSFET外延層厚度只需要Si的十分之一，對應漂移區阻抗大大降低；且SiC禁帶寬度（~3.2eV）是Si的3倍，導電能力更強。導熱率為硅的4-5倍電子飽和速度是Si的2-3倍，能夠實現10倍的工作頻率。
（2）與IGBT相比，SiC可以同時實現高耐壓、低導通電阻、高頻三個特性。在600V以上的應用中，對於Si材料來說，為了改善由於器件高壓化所帶來的導通電阻增大的問題，主要使用絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）等為代表的少數載流子器件。IGBT中，由於少數載流子積聚使得其在關斷時存在拖尾電流，繼而產生較大的開關損耗，並伴隨發熱。而SiC是具有快速器件結構特徵的多數載流子器件，開關關斷時沒有拖尾電流，開關損耗減少74%。
二、碳化硅的優勢應用領域
基於這些優良特性，碳化硅襯底在使用極限性能上優於硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求。因此，碳化硅材料製備的射頻器件及功率器件，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求。在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。例如，相同規格的碳化硅基MOSFET與硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅減小至原來的1/10，導通電阻可至少降低至原來的1/100。相同規格的碳化硅基MOSFET較硅基IGBT的總能量損耗可大大降低70%。因此，碳化硅是半導體材料領域中具備廣闊前景的材料之一。
碳化硅為什麼會進入高速發展階段？
人類歷史上第一次發現碳化硅是在1891年，美國人艾奇遜在電溶金剛石的時候發現一種碳的化合物，這就是碳化硅首次合成和發現。隨後各國科學家經過深入研究之後，終於理清了碳化硅的優點和特性，並且發明了各種碳化硅的長晶技術，產業研究前後長達70多年。
碳化硅功率器件早在 20年前已推出。2001年，英飛凌就做出了第一隻碳化硅二極管，然後Cree，羅姆，ST等公司也相繼進入碳化硅領域，做出了碳化硅二極管，三極管，MOSFET管等，有少量科研機構用研發過碳化硅IGBT結構，但是找不到應用場景。也就是說，以前大家都知道碳化硅很好，但是問題也很多：（1）長晶技術不成熟，晶體內缺陷太多，嚴重影響良率和穩定性，可靠性；（2）應用場景不明確。因為碳化硅器件雖然性能強，但是太貴，找不到一個很適合的商業落點。受制於成本及下游擴產意願不足， 碳化硅產業化推進緩慢。
2018 年， 特斯拉作為全球第一的造車新勢力率先使用全碳化硅方案後，碳化硅器件才開始成為市場發展熱點。特斯拉是業內第一個提出使用碳化硅替代硅的車企，並且大膽用到特斯拉上，隨後其他車廠紛紛效仿，碳化硅迎來大規模上車的階段，因此業內認為碳化硅發展元年是在2019年，特斯拉這一大膽的舉動，拉開了碳化高速發展的序幕。深入研究大家發現，碳化硅各種特性完美契合汽車應用。耐高溫，耐高壓，優秀的高頻開關能力，過大電流的能力。最關鍵是使用碳化硅後，能減少周圍電路元件用料，這樣設計大大簡化，重量和體積減少非常多。最關鍵的是，汽車整車價值量較高，能夠覆蓋碳化硅較高的成本，於是碳化硅找到了汽車這一完美的落地場景，開始加速發展。
根據乘聯會數據，2022 年 6 月我國新能源乘用車零售銷量 53.1 萬輛，同比增長 130.6%，當月滲透率 27.3%；2022H1 累計零售銷量 224.7 萬輛，同比增長 122.4%, 滲透率 24.3%。相較於 2021 年全年滲透率 14.8%，增長近 10%，已經提前實現 《2020-2035 新能源汽車產業發展規劃》中 2025 年新能源汽車滲透率達到 20%的願 景。我國新能源乘用車需求已完成了由政策引導向市場驅動的轉變，隨着原油價格 高企、動力電池材料成本下降和汽車「缺芯」問題緩解，新能源汽車滲透率有望進 一步加速。根據波士頓諮詢預測，在 2030 年之前全球純電動汽車的銷量將超過所有混合動力類型的汽車之和，全球電動車滲透率將達到 44%，而中國電動車滲透率 在 2030 年將達到 57%。新能源汽車行業方興未艾，推動了 SiC 產業鏈的快速發展。未來5年，汽車將成為碳化硅市場的主要驅動力。
另外，「雙碳」背景驅動下，功率半導體產業蓬勃發展。2021 年 10 月 26 日，國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》，明確提出大力推廣 新能源汽車，逐步降低傳統燃油汽車在新車產銷和汽車保有量中的占比，到2030年，當年新增新能源、清潔能源動力的交通工具比例達到 40%左右。在這一長達40年的國家重大戰略里，基於功率半導體的諸多電氣技術將在碳中和進程中起着不可替代的關鍵作用，將成為 21 世紀可再生能源和高效負載能源網絡的關鍵驅動力。
21 世紀的能源網絡，無論是太陽能、風能和儲能等可再生能源，還 是電動汽車和變頻電機等高效負載，都需要功率半導體來實現。隨着全球制定「碳達峰、碳中和」目標，將帶來更多綠色能源發電、綠色汽車、充電樁、儲能等需求， 根據 Yole 預測，全球功率半導體器件市場有望從 2020 年 175 億美元增長至 2026 年 的 262 億美元，年均複合增長率為 6.9%。
受益於新能源汽車、光伏、軌道交通等下游景氣應用驅動，全球碳化硅功率器件市 場規模不斷擴大。根據 Yole 預測，2021-2027 年全球碳化硅功率器件市場規模有望 從 10.90 億美元增長到 62.97 億美元，保持年均 34%的複合增速。其中，車規級市 場是碳化硅最主要的應用場景，市場空間有望從 2021 年 6.85 億美元增長至 2027 年 49.86 億美元，CAGR 為 39.2%，超過了整個 SiC 功率器件市場增速；車規級 SiC 器件占整個 SiC 器件市場的比例有望從 2021 年 62.84%提升至 2027 年 79.18%。車 規級應用占據近 80% SiC 市場規模，是因為相對於工業級市場和消費級市場，車規級市場對於 SiC 器件成本更不敏感，通過使用 SiC 器件節省的系統成本（減少電池 成本、被動元器件等）會超過使用 SiC 器件增加的成本。
碳化硅半導體看起來很簡單？這只是個錯覺！
那麼碳化硅的優點這麼多，為什麼還是無法大規模替代硅功率器件，目前也僅僅是一個小汽車應用場景上使用，接下來我們從技術角度來發現一些問題。
一、碳化硅的產業鏈
半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為「襯底-外延-器件」結構。碳化硅產業鏈也可分為三個環節：分別是上游襯底，中游外延片和下游器件製造。
碳化硅生產過程主要包括碳化硅單晶生長、外延層生長及器件製造三大步驟，對應的是碳化硅產業鏈主要包括襯底、外延、器件製造、封測等環節。受制於材料端的製備難度大，良率低，產能小，目前產業鏈的價值集中於襯底和外延部分，前端兩部分占碳化硅器件成本的47%、23%，而後端的設計、製造、封測環節僅占30%。碳化硅最難的環節也是襯底片和外延片，因此，成本占到了整個器件成本的約70%。襯底供應商掌握了碳化硅產業鏈的核心話語權。
行業活動推薦
2022年11月16-18日，由DT新材料主辦的第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會——碳化硅半導體論壇將在深圳國際會展中心（高交會寶安會場）拉開帷幕。
論壇聚焦碳化硅襯底、外延、功率器件製造及相關應用等領域的技術難點與前沿發展趨勢，旨在突破碳化硅半導體產業技術瓶頸，吸收頂尖研究機構與企業的行業遠見，整合對接碳化硅半導體產業鏈資源，推進突破性的實驗室研究成果轉化，讓科研賦能產業、產業反哺科研，共同推動碳化硅半導體行業的高質量發展！
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