详解第三代半导体之碳化硅基础——向无碳社会转型，在各种能量转换的应用场景中大显身手

工业革命以来，化石能源的使用大幅度提升生产效率，推动社会经济快速发展，但碳排放量的持续增加也导致全球极端天气的频发以及生态环境的退化危机。

四大危机问题突显

• 环境问题

与工业革命前相比全球平均气温上升控制在1.5℃以下

• 资源枯竭

2030年可再生能源占比实现36～38%

• 人口问题

2050年全球总人口超过97亿

• 全球老龄化问题

2050年全球65岁以上高龄人口预计达到16%

面对四大危机问题，中国提出了大国的承诺，2030年碳达峰（碳达峰是指中国承诺二氧化碳排放量到2030年不增加，达到峰值后逐渐减少），2060年碳中和（碳中和是指企业、团体或个人计算一定时期内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等方式抵消自身的二氧化碳排放，从而实现二氧化碳的“零排放”），实现双碳目标。

碳化硅在双碳目标中崛起

1.碳化硅结构

碳化硅属于第三代半导体材料，具备禁带宽度大（单位是电子伏特（ev））、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高，热导率以及抗辐射等关键 参数方面有显著优势。可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求。

因此，碳化硅材料制备的射频器件及功率器件可广泛应用于新能源汽车、光伏、5G通信等领域，是半导体材料领域中具备广阔前景的材料之一。

SiC材料和Si材料性能对比

禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。简而言之，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。

对于SiC而言，因为C原子本身的电子数比硅小，因此C原子对于外层电子的束缚能力强，禁带比硅更宽，Si和C形成的化学键，更难被打破。既然需要宽禁带材料，从不导通状态激发到导通状态需要的能量更大，因此可以耐受更高的温度和电压。

相对于同样电压等级的硅器件，SiC的die可以做得更小，depletion region的面积可以更小，因此，寄生参数更小，寄生参数主要表现在导通电阻和寄生电容上。

禁带宽度（Band gap）是指一个能带宽度（单位是电子伏特（ev）），固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度

SiC单位晶体结构图

2、碳化硅SiC MOSFET较IGBT可同时具备耐高压、低损耗和高频三大优势

• 碳化硅击穿电场强度是硅的十余倍，使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。

• 碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度，使得SiC MOSFET泄漏电流较硅基IGBT大幅减少，降低导电损耗。同时，SiC MOSFET属于单极器件，不存在拖尾电流，且较高的载流子迁移率减少了开关时间，开关损耗因此得以降低。相同规格的碳化硅 MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大减低73%。

• 涵盖MOSFET自身特点，较IGBT具备高频优势。相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅减少至原来的1/10。

SiC晶体管和Si-ICBT指标对比

碳化硅应用场景

汽车领域

1、碳化硅在汽车整机系统应用优势明显

• 实现高效化，提升续航里程，减小电池容量，降低整车重量，简化冷却系统
  

• 实现电源主机逆变和升压电路高频化 电感小型化，减小母排电容尺寸，降低噪音，降低铁损

• 实现电池系统高压化  减轻线材重量，减低铜损，电机小型化，同时增加电机输出功率

2、碳化硅可以助力新能源汽车实现轻量化及降低损耗，增加续航里程。

• 碳化硅较硅拥有更高热导率，散热容易且极限工作温度更高，可有效降低汽车系统中散热器的体积和成本。同时，SiC材料较高的载流子迁移率使其能够提供更高电流密度，在相同功率等级中，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，进一步助力新能源汽车实现轻量化。
  

• SiC MOSFET器件较硅基IGBT在开关损耗、导电损耗等方面具备显著优势，其在新能源汽车的应用可有效降低损耗。根据丰田官网，丰田预测SiC MOSFET的应用有助于提升电动车的续航里程约5%~10%。

• 由于SiC材料具备更高的功率密度，所以同等功率下，SiC器件的体积可以缩小至1/2甚至更低

• 由于SiC MOSFET的高频特性，SiC的应用能够显著减少电容、电感等被动元件的应用，简化周边电路设计。

从特斯拉的方案来看，主逆变器采用SiC能显著降低损耗和提升功率密度。特斯拉Model 3在主逆变器中率先采用SiC方案（搭载意法半导体的SiC MOSFET模组），替代原先Model X主逆变器方案（搭载英飞凌的IGBT单管）。

对比产品参数可知，所用SiC MOSFET的反应恢复时间和开关损耗均显著降低。同时，Model 3主逆变器上有24个SiC模块，每个模块内含2颗SiC裸晶，共用到48颗SiC MOSFET，如果仍采用Model X的IGBT，则需要54-60颗。该方案使得Model 3主逆变器的整体结构更为简洁、整体质量和体积更轻、功率密度更高。

工业领域

1、碳化硅在工业领域解决效率低的痛点

• SiC器件改善光伏发电效率

• SiC器件可以实现高耐压下的低导通阻抗，高速开关特性优异。

• Si器件替换到SiC器件，转换效率会提升，对提高发电量有贡献。

2、实现工业设备小型化

降低功耗→小型化

通过降低功耗，减少发热，省去散热风扇，减小散热板尺寸

高频率化→小型化

通过提高频率，能减小线圈的感抗，能降低线圈匝数，磁芯的尺寸，使变压器尺寸变小。

实现弯道超车，2大路径市场空间

1、SiC功率器件下游应用广泛，市场快速放量。

得益于优异的能源转换效率，碳化硅功率器件在电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网、家电等领域 均有广泛应用前景。

根据Yole数据显示，全球碳化硅功率器件市场规模预计将从2020年7.1亿USD快速增长到2025年25.6亿USD，年复合增长率36%，其中新能源车（主逆变器和充电机）、光伏及储能系统贡献了主要增量。光伏及储能预计增长至2025年4.58亿美元；此外轨道交通领域预计也会为功率器件市场贡献超过1亿美元的增量空间。

全球SiC功率器件市场规模

2、电动汽车将成为碳化硅功率器件的主要市场和爆发点

2025年电动汽车上碳化硅器件15.5亿USD，占比达到61%。新能源车销量持续提升，伴随着各地政府补贴、退税等政策扶持以及不断改进完善的充电基础设施，全球新能源汽车的销量和占比均在持续上升，2021年新能源车销售650万辆，同比增长109%，占比全球汽车销售总量为9%，预计到2025年，新能源汽车销量将超过2100万辆，其中，新能源汽车领域碳化硅渗透率有望超20%。

而随着新能源汽车销量的增长和碳化硅功率器件对碳化硅晶圆的需求也在不断提高，预计到2025年，全球电动车市场对6英寸碳化硅晶圆的需求将达到169万片。

碳化硅衬底市场规模预测

结语：沃尔德实业认为碳化硅向无碳社会转型，有效利用有限的能源和资源的大环境下，碳化硅被推到了风口浪尖，在各种能量转换的应用场景中大显身手。