碳化硅（SiC）是一種由硅（Si）和碳（C）構(gòu)成的化合物半導體材料。SiC 臨界擊穿場強是 Si 的 10 倍，帶隙是 Si 的 3 倍，熱導率是 Si 的 3 倍，具有更高頻、高效、耐高壓、耐高溫等特點。

　　與 Si 器件相比，SiC 被認為是一種超越 Si 極限的功率器件材料，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出高耐壓功率器件，大面積應用于汽車、工業(yè)、電源和云計算等市場。

　　回顧半導體材料的發(fā)展歷程，可以分為三個階段：第一階段是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導體原料；第二階段是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為代表；第三階段以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體原料為主。

　　同被稱為第三代半導體材料的 GaN，因其特性多被用于 650V 以下的中低壓功率器件及射頻和光電領域，而 SiC 則主要用在 650V 以上的高壓功率器件領域。

　　利用 SiC 器件可以明顯獲得小型輕量，高能效和驅(qū)動力強的系統(tǒng)性能。經(jīng)過研究和長期的市場認證，利用 SiC 材料的特性優(yōu)勢，不僅可以縮小模塊的體積的 50%以上，減少電子轉(zhuǎn)換損耗 80%以上。

　　因此，作為第三代半導體的代表材料，SiC 市場發(fā)展迅速。

　　據(jù) IHS 數(shù)據(jù)，SiC 市場總量在 2025 年有望達到 30 億美元。隨著新能源車的發(fā)展，SiC 器件性能上的優(yōu)勢將推進碳化硅器件市場規(guī)模的擴張，也將促使更多的功率半導體企業(yè)將目光聚焦在 SiC 器件上。當前我國也正在推進 5G、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車、充電樁等多個領域的“新基建”建設，為 SiC 提供了廣闊的市場前景。

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　　在強勁增長的背景下，縱觀全球半導體市場，安森美半導體作為半導體領域領先企業(yè)，尤其是在功率半導體這一細分領域，安森美半導體通過一系列收購，成為了全球第二大功率（分立和模塊）半導體供應商。

　　安森美半導體電源方案部產(chǎn)品市場經(jīng)理王利民表示，安森美半導體致力實現(xiàn)從晶體生長到成品的完全垂直整合，提供高質(zhì)量、穩(wěn)定可靠、高性價比的 SiC 器件和方案，推出了多代技術的產(chǎn)品，專注服務于電動汽車、工業(yè)、云計算等領域，并以領先的 SiC 技術助力變革能源市場。

　　SiC 的競爭焦點？

　　現(xiàn)階段，越來越多的廠商紛紛加入研發(fā) SiC 功率器件的賽道，國外知名廠商如英飛凌、ST、Cree、ROHM 等都已參與布局其中，國內(nèi)也有不少廠商陸續(xù)推出 SiC 功率器件產(chǎn)品，如泰科天潤、基本半導體和楊杰科技等。

　　整體來看，SiC 產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，一是上游襯底，二是中游外延片，三是下游器件制造。縱觀整個 SiC 產(chǎn)業(yè)，美日歐呈現(xiàn)三足鼎立態(tài)勢，寡頭競爭局面明顯。絕大多數(shù)廠商均布局從襯底、設計 - 制造 - 封裝，到模塊和應用的部分或者全部環(huán)節(jié)。

　　那么，在 SiC 市場，各企業(yè)間的競爭焦點主要集中在哪些方面？

　　王利民向媒體說道，目前行業(yè)廠商提供的產(chǎn)品或服務大致相同，或者至少體現(xiàn)不出明顯差異。因此，各大廠家的競爭主要還是圍繞在差異化競爭。以安森美半導體為例，其競爭優(yōu)勢在于全球領先的可靠性，高性價比，以及能夠提供從單管到模塊的非常寬泛的產(chǎn)品等一系列的競爭優(yōu)勢。此外，所有產(chǎn)品都符合車規(guī)級標準，確保最高級別的質(zhì)量。

　　“安森美半導體的 SiC 器件有全球領先的可靠性，在 H3TRB 測試（高溫度 / 濕度 / 高偏置電壓）里，安森美半導體的 SiC 二極管可以通過 1000 小時的可靠性測試。實際測試中，會延長到 2000 小時，大幅領先于市場的可靠性水平；如何實現(xiàn)高性價比？一是通過設計、技術進步來降低成本；二是通過領先的 6 英寸晶圓的制造以及最好的良率來達到好的成本；三是通過不斷地擴大生產(chǎn)規(guī)模，用比較大生產(chǎn)規(guī)模降低成本。慢慢地，小規(guī)模的廠家就會比較難競爭。”王利民補充道。

　　這與筆者的觀察不謀而合，行業(yè)頭部企業(yè)為了規(guī)模經(jīng)濟的利益，擴大生產(chǎn)規(guī)模，市場均勢被打破，在“削價競銷”或“贏者通吃”的規(guī)律下贏得自身競爭力。即在市場經(jīng)濟條件下，企業(yè)從各自的利益出發(fā)，為取得較好的產(chǎn)銷條件、獲得更多的市場資源而競爭。通過競爭，實現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)勝劣汰，進而實現(xiàn)生產(chǎn)要素的優(yōu)化配置。

　　SiC 賦能新能源汽車市場

　　據(jù)悉，新能源汽車是未來幾年 SiC 市場規(guī)模增長的主要驅(qū)動力，約占到 SiC 總體市場的 60%。

　　新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導體應用的組件包括三大部分：電機驅(qū)動器、車載充電器（OBC）/ 非車載充電樁和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC），SiC 功率器件憑借其獨有的優(yōu)勢在其中發(fā)揮著重要的作用。

　　電機驅(qū)動領域，SiC 器件可提升控制器效率、功率密度以及開關頻率，通過降低開關損耗和簡化電路的熱處理系統(tǒng)來降低成本、重量、大小及功率逆變器的復雜性。

　　車載充電器和非車載充電樁中，使用 SiC 功率器件可提高電池充電器的工作頻率，實現(xiàn)充電系統(tǒng)的高效化、小型化，并提升充電系統(tǒng)的可靠性。

　　電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)部分，使用 SiC 功率器件可縮小電路的尺寸，降低重量，縮減無源器件的成本，在滿足冷卻系統(tǒng)的需求的同時大大降低整個系統(tǒng)的重量和體積。

　　憑借對于性能的顯著提升，眾多汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)紛紛加入了 SiC 的戰(zhàn)場。

　　博世汽車計劃在 2020 年生產(chǎn)用于電動汽車的下一代節(jié)能芯片，爭取在未來三年內(nèi)尋找到 SiC 產(chǎn)品的量產(chǎn)路徑，這是博世歷史上最大的一筆投資；

　　作為第一家將 SiC 模塊批量應用到電動汽車上的整車廠，特斯拉每年預計消耗 50 萬片 6 寸 SiC 晶圓。特斯拉是第一家采用 SiC MOSFET 來做逆變器的車廠。在使用 SiC 功率器件后，其續(xù)航能力顯著提升，是寬禁帶半導體應用于汽車的又一新的里程碑；

　　比亞迪已自主研究碳化硅產(chǎn)業(yè)，并且擴大碳化硅功率元件的規(guī)劃，要建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延片（Epitaxy）、硅片、模組封裝等，以降低碳化硅器件的制造成本，加快碳化硅應用在電動車領域。

　　…

　　SiC 器件在汽車領域前景將迎來可預見的爆發(fā)期。

　　王利民對此強調(diào)，汽車主驅(qū)部分，特斯拉目前使用量較大。特斯拉在 SiC 器件的應用方面對新能源汽車企業(yè)帶來了極大的示范效應，以特斯拉為開端，將有愈來愈多的車企會采用 SiC 功率半導體，進一步加快 SiC 功率器件的應用。近幾年，很多行業(yè)廠商都逐漸開始大批量使用 SiC 功率器件。在汽車電子中，SiC 器件不僅僅使用在汽車主驅(qū)部分，在 OBC/ 充電樁和 DC-DC 領域都有所涉及。

　　安森美半導體是汽車功能電子化領域的領先企業(yè)，產(chǎn)品涵蓋車載充電系統(tǒng)（主要是功率器件和碳化硅器件）、主驅(qū)動、動力集成、風機、泵及壓縮機電機控制，電池管理以及 DC-DC 高壓負載等種類繁多的器件和解決方案。其 SiC MOSFET 使用了全新技術，能夠提供卓越的開關性能，比硅具有更高的可靠性。另外，低導通電阻和緊湊的芯片尺寸，可確保低電容和低門極電荷。因此，系統(tǒng)將擁有最高效率、更快的運行頻率、提高了功率密度、降低了 EMI，減小了系統(tǒng)尺寸等優(yōu)點。

　　新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為一個規(guī)模快速增長、技術持續(xù)革新的新興支柱產(chǎn)業(yè)，將在汽車電動化滲透率提升的過程中為多個細分技術領域提供廣闊的應用市場。SiC 功率器件在新能源汽車的應用尚處于早期階段，其市場規(guī)模還有較大增長空間。

　　SiC 成本問題何解？

　　SiC 優(yōu)勢之余，也為它帶來了相應的挑戰(zhàn)。從材料成本上，SiC 材料價格成本偏高，導致產(chǎn)品大規(guī)模推廣受阻，這使得 SiC 器件目前市場滲透率較低。

　　·規(guī)模效應

　　王利民認為，SiC 功率器件的規(guī)模化應用可以降低其成本，但現(xiàn)階段據(jù)其規(guī)模化的發(fā)展仍需時間。不過，雖說 SiC 的單器件成本的確高于傳統(tǒng)硅器件，但從整體系統(tǒng)成本來說 SiC 更具“系統(tǒng)級”成本優(yōu)勢，這主要歸功于 SiC 的高能效、小體積以及低發(fā)熱下使用壽命的增長。

　　SiC 已為許多汽車應用提供了“系統(tǒng)級”成本效益，SiC 市場下一步關鍵是實現(xiàn) IGBT 成本平價，一旦 SiC 可以在器件級實現(xiàn)與 IGBT 的成本平價，更高的效率結(jié)合更低的價格所帶來的優(yōu)勢必然可以牽引電動汽車市場的應用。這也是安森美半導體的目標之一。

　　·工藝改良

　　除規(guī)模效應外，如何從技術的角度降低 SiC 功率器件的成本？

　　安森美半導體指出，SiC 晶圓生產(chǎn)工藝的改良是降低 SiC 功率器件成本的根本方法。

　　在過去 SiC 晶圓還停留在 4 英寸基板時，晶圓短缺和價格高昂一直是 SiC 之前難啃的“硬骨頭”，目前市場正逐步從 4 英寸轉(zhuǎn)向 6 英寸。據(jù) Yole 預測數(shù)據(jù)顯示，2020 年 4 英寸碳化硅晶圓接近 10 萬片，而 6 英寸晶圓市場需求已超過 8 萬片，預計將在 2030 年逐步超越 4 英寸晶圓。

　　因此，降低 SiC 功率器件成本，要加大對 SiC 晶圓技術的研究投入，比如使 SiC 晶圓向 8 英寸方向發(fā)展，但這并非易事。

　　“與容易達到的 12 英寸硅材料不同，SiC 材料非常堅硬，并且在機械上難以處理超薄的大尺寸晶圓。就在幾年前，安森美半導體就是全球第一家做 6 英寸 SiC 晶圓的，現(xiàn)在有一些其他的同行也慢慢在跟上我們。”王利民強調(diào)，“SiC 材料相當堅硬，機械上很難處理纖細的大尺寸晶圓，所以 SiC 不像硅材料般容易做到超大尺寸。8 英寸大小的 SiC 晶圓仍然是太過超前的技術概念，目前幾乎所有廠商都無法處理超薄的超大晶圓，進行批量生產(chǎn)。”

　　寫在最后

　　在既有廠商與新進者相繼布局之下，SiC 成為半導體新材料的發(fā)展趨勢已定，雖然受限成本與技術門檻較高、產(chǎn)品良率不高等因素，使得 SiC 晶圓短期內(nèi)仍難普及。

　　但隨著 5G、電動汽車、工業(yè)等需求持續(xù)驅(qū)動，將成為加速 SiC 晶圓市場快速發(fā)展的重要推手，且在產(chǎn)品可靠度與性能提高下，終端廠商對新材料的信心，也可望隨之提升。以 SiC 技術助力變革能源市場。