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

　　與 Si 器件相比，SiC 被認(rèn)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(yīng)用于汽車、工業(yè)、電源和云計(jì)算等市場。

　　回顧半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程，可以分為三個(gè)階段：第一階段是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導(dǎo)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(dǎo)體原料為主。

　　同被稱為第三代半導(dǎo)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(lǐng)域，而 SiC 則主要用在 650V 以上的高壓功率器件領(lǐng)域。

　　利用 SiC 器件可以明顯獲得小型輕量，高能效和驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)的系統(tǒng)性能。經(jīng)過研究和長期的市場認(rèn)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(dǎo)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(dá)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(jìn)碳化硅器件市場規(guī)模的擴(kuò)張，也將促使更多的功率半導(dǎo)體企業(yè)將目光聚焦在 SiC 器件上。當(dāng)前我國也正在推進(jìn) 5G、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車、充電樁等多個(gè)領(lǐng)域的“新基建”建設(shè)，為 SiC 提供了廣闊的市場前景。

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　　在強(qiáng)勁增長的背景下，縱觀全球半導(dǎo)體市場，安森美半導(dǎo)體作為半導(dǎo)體領(lǐng)域領(lǐng)先企業(yè)，尤其是在功率半導(dǎo)體這一細(xì)分領(lǐng)域，安森美半導(dǎo)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(dǎo)體供應(yīng)商。

　　安森美半導(dǎo)體電源方案部產(chǎn)品市場經(jīng)理王利民表示，安森美半導(dǎo)體致力實(shí)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(jià)比的 SiC 器件和方案，推出了多代技術(shù)的產(chǎn)品，專注服務(wù)于電動(dòng)汽車、工業(yè)、云計(jì)算等領(lǐng)域，并以領(lǐng)先的 SiC 技術(shù)助力變革能源市場。

　　SiC 的競爭焦點(diǎn)？

　　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(dǎo)體和楊杰科技等。

　　整體來看，SiC 產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個(gè)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(gè) 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(shè)計(jì) - 制造 - 封裝，到模塊和應(yīng)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(diǎn)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(wù)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(dǎo)體為例，其競爭優(yōu)勢在于全球領(lǐng)先的可靠性，高性價(jià)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確保最高級(jí)別的質(zhì)量。

　　“安森美半導(dǎo)體的 SiC 器件有全球領(lǐng)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(dǎo)體的 SiC 二極管可以通過 1000 小時(shí)的可靠性測試。實(shí)際測試中，會(huì)延長到 2000 小時(shí)，大幅領(lǐng)先于市場的可靠性水平；如何實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比？一是通過設(shè)計(jì)、技術(shù)進(jìn)步來降低成本；二是通過領(lǐng)先的 6 英寸晶圓的制造以及最好的良率來達(dá)到好的成本；三是通過不斷地?cái)U(kuò)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(huì)比較難競爭。”王利民補(bǔ)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(jì)的利益，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，市場均勢被打破，在“削價(jià)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(jì)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(shí)現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)勝劣汰，進(jìn)而實(shí)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(dòng)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(dǎo)體應(yīng)用的組件包括三大部分：電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dú)有的優(yōu)勢在其中發(fā)揮著重要的作用。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，SiC 器件可提升控制器效率、功率密度以及開關(guān)頻率，通過降低開關(guān)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(fù)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(shí)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(shí)大大降低整個(gè)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(jì)劃在 2020 年生產(chǎn)用于電動(dòng)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(yīng)用到電動(dòng)汽車上的整車廠，特斯拉每年預(yù)計(jì)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(dǎo)體應(yīng)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(kuò)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(yīng)用在電動(dòng)車領(lǐng)域。

　　…

　　SiC 器件在汽車領(lǐng)域前景將迎來可預(yù)見的爆發(fā)期。

　　王利民對此強(qiáng)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(yīng)用方面對新能源汽車企業(yè)帶來了極大的示范效應(yīng)，以特斯拉為開端，將有愈來愈多的車企會(huì)采用 SiC 功率半導(dǎo)體，進(jìn)一步加快 SiC 功率器件的應(yīng)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(lǐng)域都有所涉及。

　　安森美半導(dǎo)體是汽車功能電子化領(lǐng)域的領(lǐng)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(dòng)、動(dòng)力集成、風(fēng)機(jī)、泵及壓縮機(jī)電機(jī)控制，電池管理以及 DC-DC 高壓負(fù)載等種類繁多的器件和解決方案。其 SiC MOSFET 使用了全新技術(shù)，能夠提供卓越的開關(guān)性能，比硅具有更高的可靠性。另外，低導(dǎo)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(yùn)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(diǎn)。

　　新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)規(guī)模快速增長、技術(shù)持續(xù)革新的新興支柱產(chǎn)業(yè)，將在汽車電動(dòng)化滲透率提升的過程中為多個(gè)細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域提供廣闊的應(yīng)用市場。SiC 功率器件在新能源汽車的應(yīng)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(yīng)的挑戰(zhàn)。從材料成本上，SiC 材料價(jià)格成本偏高，導(dǎo)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(yīng)

　　王利民認(rèn)為，SiC 功率器件的規(guī)模化應(yīng)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(shí)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(jí)”成本優(yōu)勢，這主要?dú)w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(yīng)用提供了“系統(tǒng)級(jí)”成本效益，SiC 市場下一步關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn) IGBT 成本平價(jià)，一旦 SiC 可以在器件級(jí)實(shí)現(xiàn)與 IGBT 的成本平價(jià)，更高的效率結(jié)合更低的價(jià)格所帶來的優(yōu)勢必然可以牽引電動(dòng)汽車市場的應(yīng)用。這也是安森美半導(dǎo)體的目標(biāo)之一。

　　·工藝改良

　　除規(guī)模效應(yīng)外，如何從技術(shù)的角度降低 SiC 功率器件的成本？

　　安森美半導(dǎo)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(shí)，晶圓短缺和價(jià)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(yù)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(yù)計(jì)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(shù)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(dá)到的 12 英寸硅材料不同，SiC 材料非常堅(jiān)硬，并且在機(jī)械上難以處理超薄的大尺寸晶圓。就在幾年前，安森美半導(dǎo)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(qiáng)調(diào)，“SiC 材料相當(dāng)堅(jiān)硬，機(jī)械上很難處理纖細(xì)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(shù)概念，目前幾乎所有廠商都無法處理超薄的超大晶圓，進(jìn)行批量生產(chǎn)。”

　　寫在最后

　　在既有廠商與新進(jìn)者相繼布局之下，SiC 成為半導(dǎo)體新材料的發(fā)展趨勢已定，雖然受限成本與技術(shù)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(dòng)汽車、工業(yè)等需求持續(xù)驅(qū)動(dòng)，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(shù)助力變革能源市場。