碳化硅：第三代半導體核心材料

碳化硅為第三代半導體高壓領域理想材料。第一代半導體以硅（Si）為主要材質。硅基功率器件結構設計和製造工藝日趨完善，已經接近其材料特性決定的理論極限，繼續完善提高性能的潛力有限。砷化鎵（GaAs）、磷化銦（lnP）等作為第二代化半導體因其高頻性能較好主要用於射頻領域，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導體，因禁帶寬度和擊穿電壓高的特性。

以碳化硅為材料的功率模塊具備低開關損耗、高環境温度耐受性和高開關頻率的特點，因此採用碳化硅SiC材料的新一代電控效率更高、體積更小並且重量更低。

根據研究機構Rohm預測，2025年碳化硅功率半導體的市場規模有望達到30億美元。在未來的10年內，碳化硅器件將開始大範圍地應用於工業及電動汽車領域。未來碳化硅在功率半導體領域有很大的應用潛力。

碳化硅產業格局呈美、歐、日三足鼎立。CREE在氮化鎵射頻領域，專利護城河全球第一。根據專利研究機構KnowMade對3750項氮化鎵射頻領域專利的研究，基於數量與質量等多個維度的綜合考量，CREE毫無疑問為全球第一，尤其在碳化硅基氮化鎵領域。從市場空間看，CREE碳化硅、氮化鎵下游目標市場均有高速成長的趨勢。

目前英飛凌、三菱等傳統功率器件大廠均在爭相研發下一代碳化硅器件，豐田於2015年內推出了基於碳化硅功率器件的原型車用於測試新一代材料的輸出性能。

政策護航國產替代大勢所趨。國內目前也已經形成相對完整的碳化硅產業鏈體系，襯底材料：山東天嶽、天科合達、河北同光晶體、北京世紀金光EPI硅片：東莞天域半導體、廈門瀚天天成器件：泰科天潤、瀚薪、揚傑科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時代電氣模組：嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣。

從產業鏈角度看，碳化硅包括單晶襯底、外延片、器件設計、器件製造等環節，目前全球碳化硅市場基本被國外企業所壟斷。中國企業在襯底、外延和器件方面均有所佈局，但是體量均較小。

國外供應鏈體系主要有：襯底：Cree、Rohm、EPISILEPI外延片：Cree、Rohm、英飛凌、GE、三菱器件：英飛凌、Cree、Rohm、意法半導體、美高森美、GenSiC、三菱碳化硅器件方面，國際上碳化硅SBD、碳化硅MOSFET均已實現量產，產品耐壓範圍600v-1700v，單芯片電流超過50A。

目前碳化硅主流尺寸處於4英寸向6英寸過渡階段。單晶尺寸的增加往往會伴隨結晶質量的下降，SiC襯底從1~8英寸不等，主流尺寸為4~6英寸。

由於尺寸越大，生產效率越高，但生產品質控制難度越高，因此目前6英寸主要用於二極管，4英寸主要用於MOSFET。由於6英寸的硅晶圓產線可以升級改造成用於生產SiC器件，所以預計6英寸SiC襯底的高市佔率會維持較長時間。

功率器件是化合物半導體的主要應用之一，隨着各國逐步推進電動車等新能源汽車，同時智能駕駛、車聯網帶動汽車硅含量提升，將是車規級功率、射頻器件的主要驅動力。

目前SiC半導體仍處於發展初期，晶圓生長過程中易出現材料的基面位錯，以致SiC器件可靠性下降。另一方面，晶圓生長難度導致SiC材料價格昂貴，預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進。