第三代半导体材料之碳化硅（SiC）应用现状及前景分析

近年来，以碳化硅为代表的第三代半导体材料在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势，进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能，具体如下： 正是由于碳化硅器件具备的上述优越性能，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频机抗辐射等恶劣工作条件的新要求，从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一。 第三代半导体材料中，受技术与工艺水平限制，氮化镓材料作为衬底实现规模化应用扔面临挑战，期应用主要是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片为衬底，通过外延生长氮化镓以制造氮化镓器件。相比而言，近年来碳化硅晶片作为衬底材料的应用逐步成熟并进入产业化阶段，以碳化硅晶片为衬底的下游产业链图示如下： 近年来碳化硅晶片作为衬底材料的应用逐步成熟并进入产业化阶段，以碳化硅晶片为衬底，通常使用化学气相沉积（CVD）方法，在晶片上淀积一层单晶形成外延片。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外延片，可进一步制成功率器件，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研层制得碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于5G通讯、雷达等领域。 碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。可广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域，在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。 （一）功率器件 碳化硅功率器件被广发应用于新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等，光伏、风电等领域。受益新能源汽车的放量，碳化硅功率器件市场将快速增长。根据Yole数据，2018年和2024年碳化硅功率器件市场规模分别约4亿和50亿美元，复合增速约51%，按照该复合增速，2027年碳化硅功率器件市场规模约172亿美元。 碳化硅材料市场规模预测   功率器件是由电力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心，功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制，管理着全球高于50%的电能资源，广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面，是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，可以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。 1、碳化硅功率器件在电动车领域应用 碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间，工作频率在10KHz-100MHz之间的场景，特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域，可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT。 2、碳化硅功率器件在光伏领域应用 根据天科核达招股书显示，在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗下降50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而可以缩小系统体积、增加功率密度，延长器件使用年限、下降生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式是集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。