碳化硅是一種無機物，化學式為 SiC，是用天然硅石、碳、木屑、工業(yè)鹽作基本合成原料，在一種特殊的電阻爐中加熱反應合成的。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈涉及多個復雜技術(shù)環(huán)節(jié)，包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環(huán)節(jié)。

受制于材料端的制備難度大，良率低，產(chǎn)能小，目前產(chǎn)業(yè)鏈最重要的環(huán)節(jié)集中于襯底、外延部分，碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義。

碳化硅襯底。襯底制造是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘最高、價值量最大的環(huán)節(jié)，是新近發(fā)展的寬禁帶半導體的核心材料。

碳化硅的襯底可以按照電阻率分為導電型襯底和半絕緣型襯底，在導電型襯底上生長 SiC 襯底制作的功率器件可以應用在新能源汽車、電網(wǎng)、光伏逆變器、軌道交通等高壓工作場景。在半絕緣型襯底上生長 GaN 外延制作的微波射頻器件主要應用在射頻開關(guān)、功率放大器、濾波器等通訊場景，可以滿足 5G 通訊對高頻性能和高功率處理性能的要求。

碳化硅外延。碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。

外延工藝是整個產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能影響是非常大的，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底加工的影響，處在一個產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。

碳化硅器件。功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎元器件之一，廣泛應用于電力設備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領域。

作為用電裝備和系統(tǒng)中的核心，功率器件的作用是實現(xiàn)對電能的處理、轉(zhuǎn)換和控制，管理著全球超過50% 的電能資源，廣泛用于智能電網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發(fā)、工業(yè)電機、數(shù)據(jù)中心、家用電器、移動電子設備等國家經(jīng)濟與國民生活的方方面面，是工業(yè)體系中不可或缺的核心半導體產(chǎn)品。

碳化硅在新能源汽車領域的應用

碳化硅主要應用領域有電動汽車、充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。Yole 數(shù)據(jù)顯示，到 2025 年，全球電力電子領域碳化硅市場規(guī)模將超過 30 億美元，較 2020 年的 7 億美元 CAGR 超過 37%。

具體到汽車應用領域，碳化硅應用于新能源車，可以降低損耗、減小模塊體積重量、提升續(xù)航能力。新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，對功率器件提出了高效、高功率、高功率密度的要求，受益于新能源汽車的放量，SiC 器件的市場份額在新能源汽車領域?qū)瓉肀l(fā)增長。

2015年，汽車巨頭豐田就展示了全碳化硅模組的PCU。相比之下，碳化硅PCU僅為傳統(tǒng)硅PCU的體積的1/5，重量減輕35%，電力損耗從20%降低到5%。

碳化硅 PCU 和硅 PCU的對比

碳化硅器件的高頻高溫高效特性完美契合車載器件的需求。碳化硅在電動汽車中的應用分為主驅(qū)動器，充電系統(tǒng)以及 DCDC 電源。

特斯拉 Model 3 率先采用 SiC，開啟了電動汽車使用 SiC 先河，2020 年比亞迪漢也采用了 SiC 模塊，有效提升了加速性能、功率及續(xù)航能力。

第三代半導體材料，蘊藏巨大潛力

碳化硅屬于寬禁帶半導體材料，又稱為第三代半導體材料。

第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料，應用極為普遍，包括集成電路、電子信息網(wǎng)絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應用。

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb），主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合達到其性能的極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導體材料 SiC（寬禁帶）應運而生。

第三代半導體主要是 SiC 和 GaN，與第一二代半導體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率等性能優(yōu)勢，所以又叫寬禁帶半導體材料，特別適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。

碳化硅器件的性能優(yōu)勢

● 更大的禁帶寬度，耐受更高溫度。禁帶寬度的大小決定電子從價帶跳到導帶的難易，決定器件的耐壓值、工作溫度及導通損耗。更大的禁帶寬度，可以保證材料在高溫高壓下，電子不易發(fā)生躍遷，本征激發(fā)弱，從而可以耐受更高的工作溫度和電壓以及更低的導通損耗。

●  更高的擊穿電場，耐受更高電壓。臨界擊穿場強是指材料發(fā)生電擊穿的電場強度，一旦超過該數(shù)值，材料將失去絕緣性能，進而決定了材料的耐壓性能。材料在相同耐壓值下導通損耗更小，所以發(fā)熱更少，結(jié)構(gòu)可以更加簡化。

● 更高的熱導率，散熱更優(yōu)。溫度是影響器件壽命的主要原因之一，熱導率代表了材料的導熱能力，碳化硅的高熱導率可以有效傳導熱量，降低器件溫度，維持其正常工作，這使得冷卻系統(tǒng)可以得到更好的優(yōu)化。

●  更大的電子飽和漂移速率，具有高頻特性。電子飽和漂移速率指電子在半導體材料中的最大定向移動速度，該數(shù)值的高低決定了器件的開關(guān)頻率。碳化硅的電子飽和漂移速率是硅的兩倍，有助于提高工作頻率，將器件小型化。

正在崛起的第三代半導體材料

以 SiC 等為代表的第三代半導體材料，將被廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域，以其優(yōu)異的半導體性能在各個現(xiàn)代工業(yè)領域發(fā)揮重要作用，應用前景和市場潛力巨大。

碳化硅晶片應用為節(jié)能減排和新能源領域帶來巨大變革，碳化硅晶片經(jīng)外延生長后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。以碳化硅晶片為襯底制造的半導體器件具備高功率、耐高壓、耐高溫、高頻、低能耗、抗輻射能力強等優(yōu)點，可廣泛應用于新能源汽車、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等現(xiàn)代工業(yè)領域，在我國“新基建”的各主要領域中發(fā)揮重要作用。

作為第三代半導體的代表材料，碳化硅市場發(fā)展迅速。據(jù)市場調(diào)研公司IHS Automotive的數(shù)據(jù)，2017年的碳化硅市場總量為3.99億美元，而在2023年將會達到16.44億美元，年復合增長率達到26.6%。其中，發(fā)展最大的是新能源汽車領域，年復合增長率達到了驚人的81.4%。

第三代半導體材料迎來爆發(fā)，碳化硅氮化鎵站上了最強風口，是目前商業(yè)前景最明朗的半導體材料，堪稱半導體產(chǎn)業(yè)內(nèi)新一代“黃金賽道”。碳化硅量產(chǎn)后將打破國外壟斷，成為國產(chǎn)芯片新突破點。

(來源：廈門火炬高新區(qū))