碳化硅憑借其耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射等卓越電氣特性，突破了硅基半導(dǎo)體材料的物理限制，成為第三代半導(dǎo)體的核心材料。碳化硅材料的性能優(yōu)勢(shì)正在引領(lǐng)功率器件領(lǐng)域的新變革。

功率器件的作用在于處理、轉(zhuǎn)換和控制電能。與硅基功率器件相比，以碳化硅為襯底制成的功率器件在耐壓等級(jí)、開(kāi)關(guān)損耗和耐高溫性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了功率模塊的小型化、輕量化。具體而言，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET尺寸可縮小至硅基MOSFET的十分之一，導(dǎo)通電阻至少降低至百分之一百。與硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的總能量損耗可降低高達(dá)70%。

碳化硅功率器件在新能源汽車(chē)的電驅(qū)電控系統(tǒng)中扮演重要角色，尤其是在耐壓等級(jí)、開(kāi)關(guān)損耗和耐高溫性方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，有助于實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)電力電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輕量化和高效化。它們廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)的主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器和非車(chē)載充電樁等關(guān)鍵電驅(qū)電控部件。

各大主流新能源汽車(chē)制造商正積極布局碳化硅車(chē)型。碳化硅器件在車(chē)載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用，能有效降低開(kāi)關(guān)損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率。目前，全球已有超過(guò)20家汽車(chē)廠商在車(chē)載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件。此外，碳化硅器件在新能源汽車(chē)充電樁的應(yīng)用，能減小充電樁體積，提高充電速度。碳化硅在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用，不僅能在保證汽車(chē)強(qiáng)度和安全性能的前提下減輕汽車(chē)重量，還能有效提升電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程，并減少電控系統(tǒng)體積。

應(yīng)用于直流快速充電樁的碳化硅市場(chǎng)潛力巨大。盡管成本因素目前限制了直流充電樁中碳化硅器件的使用比例，但通過(guò)配置碳化硅功率器件，直流快速充電樁能簡(jiǎn)化內(nèi)部電路，提高充電效率，減小散熱器體積和成本，進(jìn)而減小系統(tǒng)整體尺寸和重量。隨著800V快充技術(shù)的推廣，直流充電樁的碳化硅市場(chǎng)有望迎來(lái)高速增長(zhǎng)。

隨著電動(dòng)汽車(chē)、智能駕駛等技術(shù)的快速發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體功率器件的需求日益增長(zhǎng)。第三代半導(dǎo)體功率器件，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件，憑借其高效、高頻率和高溫度等優(yōu)異性能，正逐漸成為汽車(chē)行業(yè)的新寵。

一、第三代半導(dǎo)體功率器件的特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)的硅（Si）半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料如SiC和GaN具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 更高的能效：第三代半導(dǎo)體功率器件具有更低的導(dǎo)通電阻和更高的開(kāi)關(guān)速度，從而實(shí)現(xiàn)更高的能效，降低能耗。
• 更高的工作頻率：由于第三代半導(dǎo)體材料具有較高的電子飽和速度和較低的輸入電容，其工作頻率可達(dá)到數(shù)十兆赫甚至更高，遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體。
• 更高的溫度穩(wěn)定性：第三代半導(dǎo)體材料具有較高的熱導(dǎo)率和較寬的禁帶寬度，使其能在更高的溫度下穩(wěn)定工作。
• 更小的尺寸：由于第三代半導(dǎo)體功率器件的高頻率特性，可以減小磁性元件和電容的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的電源設(shè)計(jì)。

綜合以上優(yōu)點(diǎn)，在相同的功率等級(jí)下，設(shè)備中功率器件的數(shù)量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小，同時(shí)效率也有大幅度的提升。

碳化硅的這些優(yōu)勢(shì)在電子汽車(chē)領(lǐng)域中起到了關(guān)鍵作用，有助于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力控制單元的電池更輕、更長(zhǎng)、更強(qiáng)，縮短充電時(shí)間，提高新能源汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換效率。

隨著新能源汽車(chē)滲透率的提高，碳化硅在電子汽車(chē)中的應(yīng)用與地位日益凸顯。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速推進(jìn)，汽車(chē)需求量仍將保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。而隨著新能源汽車(chē)滲透率的提高，碳化硅在電子汽車(chē)中的應(yīng)用與地位也隨之提升。

與中高端手機(jī)對(duì)更高性能處理器的追求類(lèi)似，碳化硅不僅能提高新能源汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換效率，還能提高汽車(chē)的整體成本效益。雖然價(jià)格更高，但這部分成本可以通過(guò)更高的行業(yè)利潤(rùn)來(lái)覆蓋。因此，為了獲得更多的行業(yè)利潤(rùn)，各廠商的中高端車(chē)型也將陸續(xù)配備碳化硅設(shè)備。

碳化硅（SiC）作為一種第三代化合物半導(dǎo)體原材料，因其獨(dú)特的性能，在新能源市場(chǎng)行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，帶動(dòng)了碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的快速發(fā)展。碳化硅（SiC）功率器件在新能源汽車(chē)類(lèi)應(yīng)用中占比最高，達(dá)到38%。

通過(guò)分析，我們可以直觀了解碳化硅（SiC）的成本結(jié)構(gòu)。從制造成本結(jié)構(gòu)來(lái)看，襯底成本占比最大，其次是外延成本。這兩大工序是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要環(huán)節(jié)，制備難度和技術(shù)要求都非常高。

全球碳化硅（SiC）襯底市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從圖表分析來(lái)看，碳化硅（SiC）襯底市場(chǎng)規(guī)模正在迅速擴(kuò)大。

接下來(lái)，我們分析碳化硅（SiC）外延片的價(jià)格發(fā)展趨勢(shì)。碳化硅（SiC）外延片是在碳化硅（SiC）襯底上生長(zhǎng)的一層與襯底晶相同的單晶薄膜。從價(jià)格分析來(lái)看，碳化硅（SiC）外延片的價(jià)格仍然非常高昂。然而，隨著碳化硅（SiC）襯底價(jià)格的下降，碳化硅（SiC）外延片的價(jià)格未來(lái)可能會(huì)有所下降。

碳化硅（SiC）功率器件市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)也非常迅速。碳化硅（SiC）功率器件的最大特點(diǎn)是高電壓、高頻、低消耗，這使得它們?cè)谧畲蟪潭壬咸岣吡四茉崔D(zhuǎn)換效率。隨著技術(shù)突破和成本降低，碳化硅（SiC）功率器件將大規(guī)模應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車(chē)以及充電樁等領(lǐng)域。

目前，碳化硅（SiC）行業(yè)的不斷發(fā)展使得碳化硅（SiC）功率器件的市場(chǎng)規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生了變化。盡管如此，市場(chǎng)仍以海外巨頭為主導(dǎo)。意法半導(dǎo)體占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額，超過(guò)40%。

在中國(guó)，碳化硅（SiC）的應(yīng)用規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。隨著新能源工業(yè)的發(fā)展以及充電樁等新興領(lǐng)域的拓展，帶動(dòng)了中國(guó)碳化硅（SiC）功率器件應(yīng)用的發(fā)展。

從應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析來(lái)看，中國(guó)碳化硅（SiC）功率器件的應(yīng)用中，新能源汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)電源占據(jù)主導(dǎo)地位。

二、第三代半導(dǎo)體功率器件在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用

在電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，第三代半導(dǎo)體功率器件可應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器、充電器等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高效的SiC或GaN器件有助于提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率、減小體積和降低熱損失，從而實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航里程和更快的充電速度。

在汽車(chē)動(dòng)力電子系統(tǒng)中，如電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量回收系統(tǒng)（ERS）等，都可以從第三代半導(dǎo)體功率器件的優(yōu)點(diǎn)中受益。例如，在BMS中使用高效的GaN器件可以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高電池的充放電效率，延長(zhǎng)電池壽命。

隨著汽車(chē)智能駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，如自動(dòng)駕駛、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等，對(duì)于高速、高效的半導(dǎo)體器件的需求也日益增長(zhǎng)。第三代半導(dǎo)體功率器件在雷達(dá)、激光雷達(dá)（LiDAR）、圖像處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理速度、更低的能耗和更高的可靠性。

在汽車(chē)電子系統(tǒng)中，如車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)、儀表盤(pán)、氣候控制系統(tǒng)等，同樣可以從第三代半導(dǎo)體功率器件的優(yōu)勢(shì)中受益。例如，在車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)中，采用GaN功率放大器可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率和更寬的頻率范圍，提升音頻和視頻的質(zhì)量。

在新能源汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施中，第三代半導(dǎo)體功率器件在充電樁的直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器、直流/交流（DC/AC）逆變器等關(guān)鍵部件中的應(yīng)用，有助于提高充電效率、降低能耗，縮短充電時(shí)間，為新能源汽車(chē)的普及奠定基礎(chǔ)。

三、碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包括“碳化硅高純粉料→單晶襯底→外延片→功率器件→模塊封裝→終端應(yīng)用”等環(huán)節(jié)。

4.1碳化硅高純粉料

碳化硅高純粉料是采用PVT法生長(zhǎng)碳化硅單晶的原料，其產(chǎn)品純度直接影響碳化硅單晶的生長(zhǎng)質(zhì)量和電學(xué)性能。碳化硅粉料有多種合成方式，主要有固相法、液相法和氣相法三種。其中，固相法包括碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機(jī)械粉碎法；液相法包括溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法；氣相法包括化學(xué)氣相沉積法、等離子體法和激光誘導(dǎo)法等。

4.2單晶襯底

單晶襯底是半導(dǎo)體的支撐材料、導(dǎo)電材料和外延生長(zhǎng)基片。生產(chǎn)碳化硅單晶襯底的關(guān)鍵步驟是單晶的生長(zhǎng)，也是碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用的主要技術(shù)難點(diǎn)，是產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)密集型和資金密集型的環(huán)節(jié)。目前，SiC單晶生長(zhǎng)方法有物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法（LPE法）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD法）等。

碳化硅單晶生長(zhǎng)方法對(duì)比表

4.3外延片

碳化硅外延片是指在碳化硅襯底上生長(zhǎng)了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實(shí)際應(yīng)用中，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。目前，碳化硅單晶襯底上的SiC薄膜制備主要有化學(xué)氣相淀積法（CVD）、液相法（LPE）、升華法、濺射法、MBE法等多種方法。其中，CVD法是制備高質(zhì)量碳化硅晶體薄膜材料與器件的主要方法。

4.4功率器件

采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開(kāi)關(guān)管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。從碳化硅晶體材料來(lái)看，4H-SiC和6H-SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用最廣，其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6H-SiC主要用于生產(chǎn)光電子領(lǐng)域的功率器件。

4.5模塊封裝

模塊封裝可以?xún)?yōu)化碳化硅功率器件使用過(guò)程中的性能和可靠性，可靈活地將功率器件與不同的應(yīng)用方案結(jié)合。目前，量產(chǎn)階段的相關(guān)功率器件封裝類(lèi)型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類(lèi)型以TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類(lèi)型以TO247-3為主，少數(shù)采用TO247-4、D2PAK等新型封裝方式。

4.6終端應(yīng)用

碳化硅器件具有體積小、功率大、頻率高、能耗低、損耗小、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括各類(lèi)電源及服務(wù)器、光伏逆變器、風(fēng)電逆變器、新能源汽車(chē)的車(chē)載充電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直流充電樁、變頻空調(diào)、軌道交通、軍工等。

四、碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體目前存在問(wèn)題

1、大尺寸SiC單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。目前國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了8英寸SiC單晶樣品，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC單晶襯底加工技術(shù)；p型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。

中國(guó)SiC單晶材料領(lǐng)域還存在以下問(wèn)題：SiC單晶企業(yè)無(wú)法為國(guó)內(nèi)已經(jīng)/即將投產(chǎn)的6英寸芯片工藝線提供高質(zhì)量的6英寸單晶襯底材料；SiC材料的檢測(cè)設(shè)備完全被國(guó)外公司所壟斷。

2、n型SiC外延生長(zhǎng)技術(shù)有待進(jìn)一步提高。

3、SiC功率器件的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)尚未完全形成，尚不能撼動(dòng)目前硅功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上的主體地位。國(guó)際SiC器件領(lǐng)域：SiC功率器件向大容量方向發(fā)展受限制；SiC器件工藝技術(shù)水平比較低；缺乏統(tǒng)一的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)SiC功率器件領(lǐng)域存在以下3個(gè)方面差距：（1）在SiCMOSFET器件方面的研發(fā)進(jìn)展緩慢，只有少數(shù)單位具備獨(dú)立的研發(fā)能力，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂(lè)觀。（2）SiC芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國(guó)外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長(zhǎng)設(shè)備等，國(guó)內(nèi)大規(guī)模建立SiC工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進(jìn)口。（3）SiC器件高端檢測(cè)設(shè)備被國(guó)外所壟斷。

4、目前SiC功率模塊存在的主要問(wèn)題：（1）采用多芯片并聯(lián)的SiC功率模塊，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無(wú)法發(fā)揮SiC器件的優(yōu)良性能；SiC功率模塊雜散參數(shù)較大，可靠性不高。（2）SiC功率高溫封裝技術(shù)發(fā)展滯后。

5、SiC器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)尚不成熟。

6、SiC器件的應(yīng)用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。

五、未來(lái)展望

第三代半導(dǎo)體功率器件在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用還有許多發(fā)展空間。隨著SiC和GaN材料制造工藝的不斷優(yōu)化和成本的降低，這些高性能的半導(dǎo)體器件將在更多的汽車(chē)電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外，隨著車(chē)載電子系統(tǒng)功能越來(lái)越多、集成度越來(lái)越高，對(duì)半導(dǎo)體器件的性能要求也將不斷提高。未來(lái)，第三代半導(dǎo)體功率器件有望在更高頻率、更高溫度、更高功率等方面取得更大突破，進(jìn)一步推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

總之，第三代半導(dǎo)體功率器件以其高能效、高頻率、高溫度等優(yōu)異性能，在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。從電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到智能駕駛系統(tǒng)，從汽車(chē)電子系統(tǒng)到新能源汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施，第三代半導(dǎo)體功率器件正助力汽車(chē)行業(yè)邁向更高的技術(shù)水平。

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