碳化硅：第三代半导体材料的性能优势与应用前景

时间： 2024-11-11 来源：瑞之辰

技术问答

经过第一代硅基半导体、第二代的砷化镓半导体，半导体材料发展已经来到了属于碳化硅、氮化镓的第三代。碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料，碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。因其优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率，有望成为未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

图表来源：IHS Market

近年来新能源汽车驱动碳化硅行业高速成长，较传统的燃油汽车相比，新能源汽车半导体元器件功率更大，性能要求更高，用量几倍于传统燃油汽车。根据现有技术方案，每辆新能源汽车使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。使用碳化硅衬底材料，为新能源汽车节省大量成本。

碳化硅是功率器件材料端的技术演进

随着终端应用电子架构复杂程度提升，硅基器件物理极限无法满足部分高压、高温、高频及低功耗的应用要求，具备热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点的碳化硅（SiC）器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现，应用于新能源汽车、光伏、工控等领域，在电力电子设备中实现对电能的高效管理。以逆变器为例，碳化硅模块代替硅基IGBT后，逆变器输出功率可增至硅基系统的2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度为原有3.6倍，最终实现系统成本整体降低。

碳化硅技术壁垒高，技术演进空间大

一方面，由于碳化硅长晶速度慢，每小时仅生长0.2-0.3mm，在200多种晶型中仅一种可用（SiC-4H），且晶棒切割难度大，因此碳化硅衬底从样品到稳定批量供货大约需要5年；

另一方面，作为碳化硅器件性能及可靠性的关键，高压器件用、低缺陷密度且均匀掺杂的碳化硅外延工艺难度大；叠加离子注入、栅氧可靠性及客户验证等器件端挑战，碳化硅市场进入壁垒高，技术挑战大。未来，碳化硅将继续向衬底大尺寸化、切割高效化及器件模块化等低成本高可靠性方向发展。

上游产能不断扩充，产业垂直整合加速

碳化硅衬底成本占比为46%，外延成本占比为23%，产业链价值量倒挂，衬底供应商掌握了产业链的核心话语权。

以Wolfspeed为例，其衬底产能全球第一，已获13亿美元长期协议，在车规级器件端扩展迅速。目前，ST、英飞凌、安森美等传统功率器件商均在上游材料进行扩产，同时基于多年客户积累与汽车等终端建立合作，产业垂直整合加速。

我国目前在衬底端已开始占据一定市场份额，如山东天岳2020年半绝缘衬底全球市占率已至30%；而器件端，目前全球意法半导体一家独大，国内公司尚属发展早期，但已有部分企业如斯达半导、比亚迪半导体等碳化硅模块已实现上车应用。

新能源汽车驱动市场加速，国内SiC产业链蓄势待发

根据Yolé预测，碳化硅器件市场将从2019年5亿美元增至2025年25亿美元，复合增速达30%。其中，新能源汽车作为主驱动力，从2019年2.25亿增至2025年15亿美元，占整个市场60%，对应复合增速38%。

随着快充需求增加，电动汽车逐步向800V架构过渡，碳化硅渗透加速。目前，国内企业在衬底端已有开始占据少量份额，器件端仍属发展早期。

未来，考虑产业链价值量分布及客户优势等因素，我们认为上游拥有衬底量产技术、外延能力的企业及拥有功率半导体经验、下游客户或具备大量上车数据的功率半导体公司有望脱颖而出。

碳化硅产业链详概况近年来，以碳化硅晶片作为衬底材料的技术逐渐成熟并开始规模生产及应用。SiC生产过程主要包括碳化硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是碳化硅产业链衬底、外延、器件三大环节。

1. 衬底

衬底是所有半导体芯片的底层材料，主要起到物理支撑、导热及导电作用，碳化硅衬底主要包括导电型和半绝缘型两类，二者在外延层及下游应用场景不同。作为导电型衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等功率器件，适用于高温、高压等工作环境，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；作为半绝缘型衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成HEMT等微波射频器件，适用于高频、高温等工作环境，主要应用于5G通讯、卫星、雷达等领域。当前碳化硅衬底以4、6英寸为主，科锐公司已成功研发8英寸产品。在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为4英寸；在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为6英寸。碳化硅衬底的尺寸（按直径计算）主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8 英寸（200mm）等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展，目前行业内公司主要量产衬底尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技术研发储备上，以行业领先者WolfSpeed公司的研发进程为例，WolfSpeed公司已成功研发8英寸产品。为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低；衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。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。

2. 外延

外延层是在晶片的基础上，经过外延工艺生长出特定单晶薄膜，衬底晶片和外延薄膜合称外延片。其中，在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅同质外延片，可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）异质外延片，可进一步制成HEMT等微波射频器件，应用于5G通讯、雷达等领域。在全球市场中，外延片企业主要有II-VI、Norstel、WolfSpeed、罗姆等IDM公司。近年来，国内瀚天天成、东莞天域、基本半导体已能提供4寸及6寸SiC外延片。碳化硅外延制备技术方面，当前主要的外延技术是化学气相沉积法（CVD），该法通过台阶流的生长来实现一定厚度和掺杂的碳化硅外延材料，根据不同的掺杂类型，分为 n 型和 p 型外延片。碳化硅外延的生长参数要求较高，受到设备密闭性、反应室气压、气体通入时间、气体配比情况、沉积温度控制等多重因素影响。而第三代半导体中，由于氮化镓材料作为衬底实现规模化生产当前仍面临挑战，因此是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片作为衬底，通过外延生长氮化镓器件。

3. 碳化硅功率器件

碳化硅功率器件主要包含SiC功率二极管、SiC MOSFET器件和碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT/SiC IGBT）等SiC晶体管两大类。SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年SiC-SBD 开始商用，2010年SiCMOSFET开始商用，而 SiC-IGBT的商用仍存在挑战。随着6英寸SiC单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC器件制备能够在目前现有6英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低 SiC 材料和器件成本，推进 SiC 器件和模块的普及。当前，国际上 600～1700VSiC-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。

深圳市瑞之辰科技有限公司是一家芯片设计、方案研发的高科技公司，公司成立于2007年，主要产品有SiC功率器件、电源管理芯片、传感器芯片等系列。公司拥有自己的知识产权，拥有几十项发明专利和实用新型专利。

成立以来，销售业务量成倍增长，成为国内拥有产品研发设计能力及自有知识产权的电源管理芯片的头部企业。近年来公司研发了SiC、IGBT等功率器件，封装形式有TO247-3、TO247-4PHC、IPM24A-D、WPM11C等外形，产品主要应用在储能、充电桩、逆变器、光伏、电动汽车、高铁、电网等领域。

文章整合来源：

1.《一文看懂碳化硅行业》-驭势资本

2.《碳化硅产业链深度解析》-乐晴智库精选

3.《第三代半导体碳化硅行业深度研究报告》-中信建投证券

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【方案】30~80kW组串式光伏逆变器优选器件方案

描述- 该方案针对30~80kW的组串式光伏逆变器，采用多路BOOST升压电路，减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加发电量。逆变侧采用T型三电平拓扑，开关频率支持16kHz（最佳频率点），效率最高可达98.54%。辅助电源采用1700V耐压SiC MOSFET，单端反激电源可直接应用在1000V母线系统。同时，在BOOST升压电路和逆变电路中均采用IGBT模块设计，集成度更高。

型号- MKS4J022202D00MSSD,10-FZ12NMA080NS03-M260F,0505025.MX52LEP,TFLEX HD300,BGM111,C2M1000170D,EFR32MG13P732F512GM48-C,RBN75H125S1GP4-A0,10-FY12NMA160SH01-M820F18,KT05,PS9402,SGM6022,MLX91208,28R1101-000,28R0610-000,30-FT12NMA160SH-M669F28,PS9031,LSIC2SD120E30CC,30-FT12NMA200SH-M660F08,LXXXX 15.00/05/90 4.5SN GR,28R1476-100,92ML,LX 15.00/05/90 4.5SN GR BX,MKS4J033305D00KSSD,TPCM780,RC12-6-01LS,SMBJ18CA,28R1953-000,PS9531L3,SI86XX,28B0141-000,WDU50N,SGM6032,WGM110,R5F56514FDLJ,C4D30120D,WDU70N,RBN40H125S1GPQ-A0,C2M0080120D,V23990-P629-L43,SGM2019,LSIC1MO120E0080,SID11X2K,SI8261BCD-C-IS

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