碳化硅技術特性與應用領域

SiC 是突破性第三代半導體材料。

與前兩代半導體材料相比，以SiC 制成的器件擁有良好的耐熱性、耐壓性和極低的導通能量損耗，是制造高壓功率器件與高功率射頻器件的理想材料。

SiC 下游應用包括新能源、光伏、儲能、通信等領域。

技術特性與應用領域

由于SiC 的擊穿電場強度是第一代硅片的10+倍，因此，使用SiC 器件可以顯著地提高產品最大工作壓強、工作頻率和電流密度，同時大大減少導通能量損耗。

SiC 的禁帶寬度是硅片的3+倍，保證了SiC 器件在高溫條件下的工作穩定性，減少因高溫造成的器件故障現象。理論上一般硅片的極限工作溫度為300°C，而SiC 器件的極限工作溫度可達600°C以上。同時，由于SiC 的熱導率比硅更高，在相同的輸出功率下SiC 能保持更低的器件溫度，因此對散熱設計要求更低，有助于實現設備的小型化。

SiC 的飽和電子漂移速率是硅片的2+倍，因此SiC 器件能實現更高的工作頻率和功率密度。

開關/恢復損耗低：由于SiC 的寬帶隙特性，使得SiC 器件的導通電阻約為硅件的1/200，導通損耗更低。

在Si FRDs 和Si MOSFETs 中，當從正向偏置切換到反向偏置時，會產生大量的瞬態電流，造成大量的能量損耗（switching loss）。而SiC SBDs 和SiC MOSFETs 是多子載流器件，切換反向偏置時只會流過少量電流，且不受溫度和正向電流大小的影響，在任何工作環境都可實現快速穩定的反向恢復，大大減少能量損耗。

高壓穩定性& 熱穩定性：一般來說Si MOSFETs 的正常工作電壓可以達到900v。而由SiC 制成的器件，最大工作電壓能輕松超過1700v，且能保持極低的漂移層電阻，減少能量損耗。同時，SiMOSFETs在溫度升高至150°C時，漂移層電阻將會提高1倍，而SiC MOSFETs 在同等條件下漂移層電阻仍能保持較好的穩定性，電阻提升幅度遠小于Si MOSFETs。

高能量密度& 設備小型化能力：SiC 器件的設備小型化能力主要體現在幾個方面：

1）SiC 高禁帶寬度決定了它能承受更高的雜質濃度并降低漂移層膜厚，縮小芯片體積；

2）SiC 優良的散熱性與熱穩定性對芯片散熱系統的要求更低。

SiC 的飽和電子漂移速率更大，在實現高工作頻率的同時提高了功率密度，減少了變壓器、電感器等外圍組件的體積，降低整體器件成本并縮減了器件大小。

SiC vs Si 器件綜合能力比較：與傳統硅片器件相比，SiC 系統可以有效減少約50%的電導通損耗，如運用在新能源車中，能提升約4%的車輛續航能力，且降低約20%的電能轉換系統成本。同時，SiC 器件散熱能力強、封裝尺寸小，能更好助力于器械小型化。

未來隨著技術與產量的提升，SiC 器件價格有望持續下降，從而擴大下游市場應用規模，提高產品滲透率。

第三代半導體市場規模

全球SiC 功率半導體市場規模有望于2027年突破60億美元：據Yole 預測，全球SiC 功率半導體市場將從2021年的11億美元增長至2027年的63億美元，CAGR將超過34%。從應用領域看，未來新能源汽車領域的應用將會主導SiC 市場。至2027年，SiC 新能源車應用市場份額將占全球SiC市場的79%。

雖然Si 仍是主流半導體材料，但第三代半導體滲透率仍將逐年攀升：據Yole 預測，Si 材料器件未來仍將占據半導體市場的主導地位，預計未來市場滲透率仍超過80%。第三代半導體材料滲透率將會逐年攀升，整體滲透率預計于2024年超過10%，其中SiC 的市場滲透率有望接近10%，而GaN 滲透率將達到3%。

新能源車

將成為SiC 最大市場

SiC 功率器件降低新能源車電力損耗：SiC 在新能源車中主要應用在牽引逆變器、電源轉換系統（DC/DC 轉換器）、電源驅動系統、車載充電系統和非車載充電樁中。據統計，B級以上新能源車SiC 器件需求量約為66-150顆之間（Tesla Model S 僅SiC SBD 使用量已超過60顆），而直流充電樁大概需要150多顆SiC 器件。

SiC 滲透率提升四大驅動力：1）各國“碳達峰、碳中和”目標；2）新能源車里程與功率的提升；3）車載電池的小型化；4）SiC 器件價格持續下降搭載SiC 器件能使新能源車輛損耗將降低50%以上、充電速度可提升2倍、功率密度提升50%以上，同時器件體積能減小50%。

光伏發電

SiC器件需求提升

傳統Si 器件是光伏系統能量損耗主要來源之一：在光伏發電中，傳統Si 逆變器成本約占10%，但卻是系統能量損耗的主要來源之一。使用SiC 器件的光伏逆變器可以將能量損耗降低50%以上，將能量轉換效率從96%提升至99%，且能提高設備循環壽命50倍并縮小設備體積。預計未來第三代半導體將在光伏發電領域逐步替代傳統硅基器件。

據SolarPower Europe 數據，在中性預期下，全球光伏新增裝機量將以15.6% CAGR 從2021年的168GW增長至2026年的346GW，而光伏逆變器中SiC 器件的市場滲透率將在同年提升至50%左右。

第三代芯片的市場占有率將隨著裝機量與滲透率的提升而持續擴大。