基于硅材料上器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)也經(jīng)過了許多代的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化和更新，正在逐漸接近硅材料的極限，Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合達(dá)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(dǎo)體材料 SiC（寬禁帶）應(yīng)運(yùn)而生。
碳化硅作為目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最熱門的賽道之一，吸引了眾多半導(dǎo)體大廠以及初創(chuàng)新銳力量參與其中。
第三代半導(dǎo)體材料，蘊(yùn)藏巨大潛力
第三代半導(dǎo)體主要是 碳化硅（SiC） 和 氮化鎵（GaN），與第一二代半導(dǎo)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(dǎo)率等性能優(yōu)勢，所以又叫寬禁帶半導(dǎo)體材料，特別適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。
碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射等優(yōu)良電氣特性，具備4大性能優(yōu)勢：一是有更大的禁帶寬度，可以保證材料在高溫高壓下耐受更高的工作溫度和電壓以及更低的導(dǎo)通損耗；二是有更高的擊穿電場，在相同耐壓值下導(dǎo)通損耗更小，結(jié)構(gòu)可以更加簡化；同時(shí)碳化硅的高熱導(dǎo)率可以有效傳導(dǎo)熱量，降低器件溫度；四是碳化硅的電子飽和漂移速率是硅的兩倍，有助于將器件小型化并提高工作頻率。
以 SiC 等為代表的第三代半導(dǎo)體材料廣泛被應(yīng)用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域，并且碳化硅晶片應(yīng)用為節(jié)能減排和新能源領(lǐng)域帶來巨大變革。據(jù)了解，碳化硅晶片為襯底制造的半導(dǎo)體器件將被廣泛應(yīng)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(lǐng)域。
新能源汽車驅(qū)動(dòng) SiC 產(chǎn)業(yè)發(fā)展
據(jù)Yole 數(shù)據(jù)顯示，全球 SiC 功率器件市場規(guī)模將由 2021 年的 10.9 億美元增長至 2027 年的 62.97 億美元，2021－27 年 CAGR＋34％。此外，根據(jù)CASA Research整理，2020 年國內(nèi) SiC、GaN 電力電子器件市場規(guī)模約為 46.8 億元，較上年同 比增長 90％，并預(yù)計(jì)來五年 SiC、GaN 將以 45％的年復(fù)合增長率增至近 300 億元。
其中新能源汽車是碳化硅功率器件市場的主要增長驅(qū)動(dòng)。筆者了解到，2022年中國車用SiC基板需求量約為16.9億元人民幣。由于新能源汽車市場的增長和SiC產(chǎn)品的廣泛采用，2025年中國車用SiC基板市場規(guī)模將達(dá)到129.9億元人民幣，顯示 97.2％ 的年均增長率。
新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率器件的組件包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主逆變器、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC－DC）和非車載充電樁。將純電動(dòng)汽車逆變器中的功率組件改成SiC時(shí)，大概可以減少整車功耗5％－10％，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本。
目前很多車企推出的800V高壓平臺(tái)都是基于SiC研發(fā)的。據(jù)了解，已經(jīng)有多家企業(yè)已經(jīng)發(fā)布自身快充布局方案，并且自 2021 年起已經(jīng)陸續(xù)有相關(guān)車型發(fā)布：保時(shí)捷推出首款 800V 快充平臺(tái)電車；比亞迪 e平臺(tái) 3.0 發(fā)布，對應(yīng)概念車型 ocean－X；吉利極氪 001 搭載 800V 快充平臺(tái)；同時(shí)華為發(fā)布其 AI 閃充全棧高壓平臺(tái)， 預(yù)計(jì)到 2025 年將實(shí)現(xiàn) 5min 快充。
現(xiàn)在每輛純電動(dòng)使用的功率半導(dǎo)體價(jià)值約400美元，而傳統(tǒng)燃油車使用的功率器半導(dǎo)體的價(jià)值約為70美元，是純電動(dòng)汽車的六分之一。隨著新能源汽車的發(fā)展的市占率的增加，對第三代功率器件的需求量也會(huì)日益增加，預(yù)計(jì)未來幾年SiC器件將隨著800V平臺(tái)的大規(guī)模上車進(jìn)入快速爆發(fā)階段。
搶灘SiC市場，各大廠商紛紛布局
為了推動(dòng)長期的可持續(xù)發(fā)展以及增強(qiáng)產(chǎn)品的綜合競爭力，越來越多車企加入了布局SiC市場的行列。與此同時(shí)，主要的碳化硅芯片制造商正在積極投資新工廠來制造 SiC 晶圓和器件。
國外：
意法半導(dǎo)體：2018年以來，來自特斯拉的需求推動(dòng)意法半導(dǎo)體650V SiC MOSFET訂單激增。今年6月，供應(yīng)商投資2.44億美元在摩洛哥新建SiC生產(chǎn)線，獨(dú)家供應(yīng)特斯拉。
10月5日，意法半導(dǎo)體宣布，將在意大利卡塔尼亞新建一個(gè)SiC襯底工廠，以滿足客戶對汽車和工業(yè)應(yīng)用對 SiC 器件日益增長的需求。
安森美半導(dǎo)體：自 2021 年起，安森美半導(dǎo)體為梅賽德斯－奔馳 EQ 車隊(duì)提供逆變器 SiC 模塊，還將為奔馳VISION EQXX概念車提供SiC產(chǎn)品（2024年SOP）。
此外，安森美半導(dǎo)體在今年7月份還在日本京畿道富川市建立了新的研究中心和晶圓制造廠。供應(yīng)商預(yù)計(jì)其 SiC 產(chǎn)品將在 2023 年貢獻(xiàn) 10 億美元和 2 美元的收入。2024年6億。
英飛凌：近期，英飛凌宣布已與全球汽車制造商Stellantis簽署諒解備忘錄。根據(jù)協(xié)議，英飛凌將在2025－2030年預(yù)留產(chǎn)能，直接向Stellantis供應(yīng)商提供碳化硅功率半導(dǎo)體。
此協(xié)議可能涉及價(jià)值超過10億歐元（10.3 億美元）的芯片，這些芯片將用于Stellantis旗下電動(dòng)車。今年7月公司宣布將投資18.07億美元在馬來西亞吉打州居林興建 SiC 晶圓廠，預(yù)計(jì)于2024年第三季竣工。
Qorvo：去年11月，美國射頻解決方案龍頭企業(yè)Qorvo通過收購SiC半導(dǎo)體供應(yīng)商UnitedSiC切入SiC賽道。11月8日，Qorvo與半導(dǎo)體晶圓供應(yīng)商SK Siltron宣布，雙方已簽署一份多年期的SiC裸片和外延片協(xié)議，該協(xié)議將促進(jìn)國內(nèi)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的彈性和更大的能力。
此外，還有ST、羅姆、博世、恩智浦、瑞薩電子、Wolfspeed、II－VI、Soitec等一眾國外優(yōu)質(zhì)企業(yè)在此布局。
國內(nèi)：
比亞迪半導(dǎo)體：2022年6月，比亞迪半導(dǎo)體推出1200V 1040A SiC功率模塊，在不改變原有封裝尺寸的情況下，功率提升近30％。且公司成功攻克碳化硅晶圓襯底全環(huán)節(jié)工藝和設(shè)備制造技術(shù)，4英寸碳化硅晶圓性能已達(dá)到世界先進(jìn)水平。
根據(jù)比亞迪的規(guī)劃，到2023年，其旗下所有電動(dòng)汽車都將使用碳化硅功率半導(dǎo)體，而不是硅基IGBT。
三安光電：2021年6月，湖南半導(dǎo)體基地投產(chǎn)，為比亞迪提供車載充電器用碳化硅。此外，2022年2月，三安光電與理想汽車成立合資公司，研究碳化硅技術(shù)，拓展碳化硅市場。
本月初，三安光電子公司湖南三安與需求方簽署《戰(zhàn)略采購意向協(xié)議》，后者主要從事新能源汽車業(yè)務(wù)，承諾自2024－2027年確保向湖南三安每年采購碳化硅芯片。
斯達(dá)半導(dǎo)：2021年8月公司宣布投資5億元在SiC芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目；2021年3月公司宣布投資20億元與高壓特色工藝功率芯片和SiC芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。斯達(dá)微電子目前在600V／650V、1200V、1700V等中低壓IGBT芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
此外，天岳先進(jìn)掌握碳化硅襯底制作核心技術(shù)，批量供應(yīng)下游核心客戶；時(shí)代電氣構(gòu)建了全套特色先進(jìn)碳化硅工藝技術(shù)的4英寸及6英寸兼容的專業(yè)碳化硅芯片制造平臺(tái)；士蘭微目前已完成車規(guī)級(jí)SiC MOSFET器件研發(fā)，快速上量SiC芯片生產(chǎn)線，計(jì)劃形成年產(chǎn)產(chǎn)能14.4萬片6英寸SiC功率器件芯片生產(chǎn)線。
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