碳化硅晶圆，2024国产或将占据全球50%份额！

时间： 2023-12-14 来源：芯长征科技公众号

技术问答

一、为什么碳化硅是第三代半导体材料

碳化硅（SiC）是硅（Si）和碳（C）组成的化合物半导体材料，具有极强的结合力和稳定性，在热、化学、机械方面都非常优异。SiC存在多种多型体（多晶型体），它们的物理特性值各不相同。其中，4H-SiC最适用于功率元器件。作为第三代半导体材料的典型代表，碳化硅在晶体生产技术和器件制造水平方面已经非常成熟，并且已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。

二、第一代到第三代半导体材料

半导体材料根据其能隙宽度可分为以下三代：第一代半导体，以硅（Si）为代表，其能隙宽度约为1.1电子伏特（eV）。这类半导体主要适用于低压低频的场合，例如微处理器和存储器等。第二代半导体，以砷化镓（GaAs）为代表，其能隙宽度约为1.4 eV。这类半导体主要适用于中压中频的场合，例如激光器和太阳能电池等。第三代半导体，以碳化硅（SiC）为代表，其能隙宽度大于2eV。这类半导体主要适用于高压高频的场合，例如功率器件和射频器件等。

图 1

三、碳化硅的主要优势
第三代半导体碳化硅相比于前两代，主要有以下优势：

1、高能隙：能隙宽度为3.26eV，是硅的3倍，可以承受高达10kV的电压，适合高压场合；从而提高了半导体的耐压性和稳定性。

2、高热导率：热导率为4.9 W/cm·K，是硅的3倍，可以有效地将热量从芯片内部传导到外部，适合高温场合；有效降低了散热系统的成本和复杂度。

3、高电子饱和漂移速率：电子饱和漂移速率为2.7×10⁷cm/s，是硅的2倍，可以实现高频开关和低导通损耗，适合高频场合；从而提高了半导体的效率和带宽。

图 2

随着半导体制程要求越来越高，稳定性、降低散热成本、提高效率，这正是目前第一、二代半导体硅和砷化镓亟待优化解决的问题。因此，碳化硅作为第三代半导体实至名归。

四、碳化硅主要应用领域
碳化硅由于其优异的物理特性，被广泛应用于高温、高功率、高压、高频等领域，如：电动汽车：碳化硅可以用于电动汽车的电力转换器、充电器、逆变器等部件，提高了能量转换效率和续航里程，降低了体积和重量。

通信：碳化硅可以用于通信基站的射频功率放大器、滤波器等部件，提高了信号质量和覆盖范围，降低了干扰和功耗。

能源：碳化硅可以用于风力发电、太阳能发电、智能电网等领域的功率变换器、开关等部件，提高了可再生能源的利用率和稳定性，降低了成本和污染。

工业：碳化硅可以用于工业驱动、焊接、激光切割等领域的功率模块、整流桥等部件，提高了设备的性能和可靠性，降低了维护和故障率。

五、中国碳化硅产业应用及发展

随着新能源汽车、光伏、储能、充电桩等下游市场的快速爆发，中国的碳化硅（SiC）功率元件市场规模正在迅速扩大。

从产业链来看，碳化硅（SiC）产业链条较长，涉及衬底、外延、器件设计、器件制造和封测等一系列环节，其中，碳化硅衬底和外延片的价值量占比超过一半，衬底成本最大，占比达47%；其次是外延成本占比为23%，成为决定碳化硅器件品质的关键。

据TrendForce集邦咨询统计，按2022年应用结构来看，光伏储能为中国碳化硅（SiC）市场最大应用场景，占比约38.9%，接续为汽车、工业以及充电桩等。当然，汽车市场作为未来发展主轴，即将超越光伏储能应用，其份额至2026年有望攀升至60.1%。