碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射等優(yōu)良電氣特性，突破硅基半導(dǎo)體材料物理限制，是第三代半導(dǎo)體核心材料。碳化硅材料主要可以制成碳化硅基氮化鎵射頻器件和碳化硅功率器件。受益于5G通信、國防軍工、新能源汽車和新能源光伏等領(lǐng)域的發(fā)展，碳化硅需求增速可觀。

一、性能突出，寬禁帶半導(dǎo)體核心材料

第一代半導(dǎo)體主要有硅和鍺，由于硅的自然儲量大、制備工藝簡單，硅成為制造半導(dǎo)體產(chǎn)品的主要原材料，廣泛應(yīng)用于集成電路等低壓、低頻、低功率場景。但是，第一代半導(dǎo)體材料難以滿足高功率及高頻器件需求。

砷化鎵是第二代半導(dǎo)體材料的代表，較高的電子遷移率使其應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的核心材料。但砷化鎵材料的禁帶寬度較小、擊穿電場低且具有毒性，無法在高溫、高頻、高功率器件領(lǐng)域推廣。

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場強(qiáng)度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、5G基站、衛(wèi)星等新興領(lǐng)域的理想材料。

SiC具有寬的禁帶寬度、高擊穿電場、高熱傳導(dǎo)率和高電子飽和速率的物理性能，使其有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，可降低下游產(chǎn)品能耗、減少終端體積。碳化硅的禁帶寬度大約為3.2eV，硅的寬帶寬度為1.12eV，大約為碳化硅禁帶寬度的1/3，這也就說明碳化硅的耐高壓性能顯著好于硅材料。

此外，碳化硅的熱導(dǎo)率大幅高于其他材料，從而使得碳化硅器件可在較高的溫度下運(yùn)行，其工作溫度高達(dá)600℃，而硅器件的極限溫度僅為300℃；另一方面，高熱導(dǎo)率有助于器件快速降溫，從而下游企業(yè)可簡化器件終端的冷卻系統(tǒng)，使得器件輕量化。根據(jù)CREE的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET尺寸僅為硅基MOSFET的1/10。

同時，碳化硅具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且不會隨著頻率的提高而降低，碳化硅器件的工作頻率可以達(dá)到硅基器件的10倍，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET總能量損耗僅為硅基IGBT的30%。碳化硅材料將在高溫、高頻、高頻領(lǐng)域逐步替代硅，在5G通信、航空航天、新能源汽車、智能電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個環(huán)節(jié)：碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應(yīng)用市場，通常采用物理氣相傳輸法（PVT法）制備碳化硅單晶，再在襯底上使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的產(chǎn)業(yè)鏈中，主要價(jià)值量集中于上游碳化硅襯底（占比50%左右）。

碳化硅襯底根據(jù)電阻率劃分：半絕緣型碳化硅襯底：指電阻率高于105Ω·cm的碳化硅襯底，其主要用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件，中國大力發(fā)展5G技術(shù)推動碳化硅襯底需求釋放。

導(dǎo)電型碳化硅襯底：指電阻率在15~30mΩ·cm的碳化硅襯底。由導(dǎo)電型碳化硅襯底生長出的碳化硅外延片可進(jìn)一步制成功率器件，功率器件是電力電子變換裝置核心器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。汽車電動化趨勢利好SiC發(fā)展。

碳化硅應(yīng)用場景根據(jù)產(chǎn)品類型劃分：

1、射頻器件：射頻器件是在無線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導(dǎo)率高、高頻率、高功率等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的硅基LDMOS器件，其可以更好地適應(yīng)5G通信基站、雷達(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率要求。

2、功率器件：又稱電力電子器件，主要應(yīng)用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1000V以上的中高壓領(lǐng)域有深遠(yuǎn)影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。

3、新能源汽車：電動汽車系統(tǒng)涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件有電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（On-board charger，OBC）、車載DC/DC及非車載充電樁。其中，電動車逆變器市場碳化硅功率器件應(yīng)用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長。目前，國內(nèi)外車企均積極布局碳化硅器件應(yīng)用，以優(yōu)化電動汽車性能，特斯拉、比亞迪、豐田等車企均開始采用碳化硅器件。隨著碳化硅功率器件的生產(chǎn)成本降低，碳化硅在充電樁領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐步深入。

4、光伏發(fā)電：目前，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用碳化硅功率器件可使轉(zhuǎn)換效率從96%提高至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而帶來成本低、效能高的好處。

5、智能電網(wǎng)：國家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場景包括：高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。相比其他電力電子裝置，電力系統(tǒng)要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。

6、軌道交通：軌道交通對其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等裝置

7、射頻通信：碳化硅基氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。

在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計(jì)會逐漸替代硅基器件。

審核編輯：劉清