來源：中國汽研政研咨詢中心? ?

碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射等優(yōu)良電氣特性，它突破硅基半導(dǎo)體材料物理限制，成為第三代半導(dǎo)體核心材料。碳化硅材料性能優(yōu)勢引領(lǐng)功率器件新變革。

功率器件的作用是實現(xiàn)對電能的處理、轉(zhuǎn)換和控制。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率 器件，具有耐高壓、耐高溫、能量損耗低、功率密度高等優(yōu)勢，可實現(xiàn) 功率模塊小型化、輕量化。相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 與硅基MOSFET 相比，其尺寸可大幅減小至原來的 1/10，導(dǎo)通電阻可至少降 低至原來的 1/100。相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 較硅基 IGBT 的總 能量損耗可大大降低 70%。

碳化硅功率器件主要應(yīng)用于新能源車的電驅(qū)電控系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)硅基 功率半導(dǎo)體器件，碳化硅功率器件在耐壓等級、開關(guān)損耗和耐高溫性方面具備許多明顯的優(yōu)勢，有助于實現(xiàn)新能源車電力電子驅(qū)動系統(tǒng)輕量化、高 效化，它廣泛應(yīng)用于新能源車的主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和非 車載充電樁等關(guān)鍵電驅(qū)電控部件。

各大主流新能源車廠商積極布局碳化硅車型。

碳化硅器件應(yīng)用于車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠有效降低開關(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 20 家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。SiC 在新能源汽車上的應(yīng)用將在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下大大減輕汽車的重量，有效提升電動車 10%以上的續(xù)航里程，減少80%的電控系統(tǒng)體積。

應(yīng)用于直流快速充電樁的碳化硅市場空間未來有望大增。由于成本的原 因，目前直流充電樁的碳化硅器件使用比例還相對較低。但通過配置碳 化硅功率器件，直流快速充電樁能極大簡化內(nèi)部電路，提高充電效率， 減小散熱器的體積和成本，減小系統(tǒng)整體的尺寸、重量。隨著 800V 快充技術(shù)的應(yīng)用，直流充電樁碳化硅市場有望高速增長。

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

一、第三代半導(dǎo)體功率器件的特點

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具有諸多優(yōu)點：

更高的能效：第三代半導(dǎo)體功率器件具有更低的導(dǎo)通電阻和更高的開關(guān)速度，從而實現(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，從而實現(xiàn)更緊湊的電源設(shè)計。

綜合以上優(yōu)點，在相同的功率等級下，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，同時效率也有大幅度的提升。

回到這里，碳化硅的這些優(yōu)勢在電子汽車領(lǐng)域中起到怎樣的關(guān)鍵作用呢？

碳化硅的出現(xiàn)可以在一定程度上緩解電動汽車重量和耐久性之間的平衡，在動力控制單元中，碳化硅裝置可以使電池更輕、更長、更強(qiáng)。碳化硅裝置可以縮短充電時間。

隨著新能源汽車滲透率的提高，碳化硅在電子汽車中的運用與地位越來越高。汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速推進(jìn)，今后較長一段時期內(nèi)，汽車的需求量仍將保持增長勢頭，而隨著新能源汽車滲透率的提高，碳化硅在電子汽車中的運用與地位越來越高。

與中高端手機(jī)對更高性能處理器的追求類似，碳化硅不僅可以提高新能源汽車的能量轉(zhuǎn)換效率，而且還可以提高汽車的整體成本，但更高的價格將覆蓋這部分成本。因此，為了獲得更多的行業(yè)利潤，各廠商的中高端車也將陸續(xù)配備碳化硅設(shè)備。

由于碳化硅（SiC ）材料等特點，Sic MOSFET作為屬于第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體，相比于以Si材料為主的第二代功率半導(dǎo)體，SiC MOSFET有著明顯的優(yōu)勢.它在導(dǎo)通電阻、開關(guān)等方面損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。如圖所示（Sic和Si的對比）

不過，Sic-MOSFET也有美中不足之處。它在實際應(yīng)用過程中，可以實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更高的效率，但其快速的開關(guān)速度對驅(qū)動電路的設(shè)計提出了較高的要求，尤其是整個系統(tǒng)的雜散電感，在快速的開關(guān)速度下會造成較大的EMC沖擊。

同樣的，Sic-MOSFET在電氣性能方面依然存在著很大的挑戰(zhàn)。由于其更快速的響應(yīng)能力，很容易發(fā)生電流和電壓的震蕩。

下圖為SiCMOSFET模塊開關(guān)電流和電壓振蕩曲線，其中(a)為開通電流振蕩，(b)為關(guān)斷電壓振蕩，(c)為二極管振蕩電壓，其尖峰控制到了856V。從這3幅圖可以明顯地看出SiCMOSFET開關(guān)時刻的電氣振蕩要比IGBT嚴(yán)重得多，這些特性對于汽車級應(yīng)用和EMC方面都存在很大的挑戰(zhàn)。

碳化硅（SiC），又叫金剛砂，它是第三代化合物的半導(dǎo)體原材料。在新能源市場行業(yè)發(fā)展的推動下，能源的高效率利用轉(zhuǎn)化，帶動了碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)市場的快速發(fā)展。

二、碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)市場的發(fā)展情況：

中國碳化硅（SiC）功率器件應(yīng)用在新能源汽車類占比第一，達(dá)38%?

通過可視化圖表分析，我們可以直觀的了解到碳化硅（SiC）的成本結(jié)構(gòu)情況。從它的制造成本結(jié)構(gòu)來看，襯底成本占比是最大，其次是外延成本的占比?？梢园l(fā)現(xiàn)這兩大工序是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要環(huán)節(jié)，而它們的制備難度非常大，技術(shù)以及成本也非常高。

碳化硅（SiC）襯底，它是一種由碳（C）和硅（Si）組成的半導(dǎo)體單晶原材料，可分為導(dǎo)電和半絕緣兩種類型。下面根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示，全球碳化硅（SiC）襯底市場規(guī)模的發(fā)展趨勢。從圖表的分析情況來看，呈現(xiàn)快速增長的趨勢。

分析完碳化硅（SiC）襯底的情況后，我們再從另一外角度分析一下，碳化硅（SiC）的外延片，它的價格發(fā)展趨勢如何？

碳化硅（SiC）外延片指的是在碳化硅（SiC）襯底上生長了一層有一定要求的與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅（SiC）片。從價格方面分析來看，碳化硅（SiC）碳化硅外延片仍然非常的高昂。但是隨著碳化硅（SiC）襯底價格的下降，將來碳化硅（SiC）外延片的價格也會有所下降的趨勢。

另外我們再從碳化硅（SiC）功率器件的市場規(guī)模來分析一下，碳化硅（SiC）的功率器件，它最大的特點就是高電壓、高頻、低消耗等，這就是它獨特的優(yōu)勢。它可以最大限度地提高能源的轉(zhuǎn)換效。隨著技術(shù)突破以及成本的降底，碳化硅（SiC）功率器件將會大規(guī)模的應(yīng)用于新能源電動汽車以及充電樁等不同的領(lǐng)域。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示分析來看，增長態(tài)勢也是相當(dāng)快速。

隨著碳化硅（SiC）行業(yè)的不斷發(fā)展，碳化硅（SiC）功率器件的市場規(guī)模功率器件的市場競爭格局也發(fā)生的變生。但是仍然是以海外的巨頭為主要導(dǎo)向。下面我們通過可視化分析，可以看到。意法半導(dǎo)體占比較大，超過了40%。

目前在我國碳化硅（SiC）的應(yīng)用規(guī)模也在不斷的增長，從分析的情況來看，隨著新能源工業(yè)的發(fā)展，以及充電樁等新不同領(lǐng)域的發(fā)展，從而帶動了我國碳化硅（SiC）功率器件應(yīng)用的發(fā)展。

從目前的應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析來看，我國的碳化硅（SiC）功率器件從占比情況來看，應(yīng)用在新能源汽車以及消費類電源還是占據(jù)主導(dǎo)地位。

三、第三代半導(dǎo)體功率器件在汽車行業(yè)的應(yīng)用

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)

在電動汽車的驅(qū)動系統(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)動器的輸出功率、減小體積和降低熱損失，從而實現(xiàn)更高的續(xù)航里程和更快的充電速度。

汽車動力電子系統(tǒng)

汽車動力電子系統(tǒng)，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)點中受益。例如，在BMS中使用高效的GaN器件可以降低開關(guān)損耗，提高電池的充放電效率，延長電池壽命。

汽車智能駕駛系統(tǒng)

隨著汽車智能駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，如自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等，對于高速、高效的半導(dǎo)體器件的需求也日益增長。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。

汽車電子系統(tǒng)

汽車電子系統(tǒng)中，如車載信息娛樂系統(tǒng)、儀表盤、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)勢中受益。例如，在車載信息娛樂系統(tǒng)中，采用GaN功率放大器可以實現(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。

新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施

隨著新能源汽車市場的蓬勃發(fā)展，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也成為關(guān)鍵。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，縮短充電時間，為新能源汽車的普及奠定基礎(chǔ)。

四、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質(zhì)量以及電學(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3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)電材料和外延生長基片。生產(chǎn)碳化硅單晶襯底的關(guān)鍵步驟是單晶的生長，也是碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用的主要技術(shù)難點，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。

碳化硅單晶生長方法對比表

4.3外延片

碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長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

模塊封裝可以優(yōu)化碳化硅功率器件使用過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)功率器件封裝類型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類型以TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類型以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。當(dāng)前主要應(yīng)用領(lǐng)域：各類電源及服務(wù)器，光伏逆變器，風(fēng)電逆變器，新能源汽車的車載充電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、直流充電樁，變頻空調(diào)，軌道交通，軍工等。

五、碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體目前存在問題

1、大尺寸SiC單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。

目前國際上已經(jīng)開發(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SiC單晶材料領(lǐng)域還存在以下問題：SiC單晶企業(yè)無法為國內(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材料的檢測設(shè)備完全被國外公司所壟斷。

2、n型SiC外延生長技術(shù)有待進(jìn)一步提高。

3、SiC功率器件的市場優(yōu)勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導(dǎo)體器件市場上的主體地位。

國際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)一的測試評價標(biāo)準(zhǔn)。

中國SiC功率器件領(lǐng)域存在以下3個方面差距：（1）在SiCMOSFET器件方面的研發(fā)進(jìn)展緩慢，只有少數(shù)單位具備獨立的研發(fā)能力，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂觀。（2）SiC芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長設(shè)備等，國內(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器件高端檢測設(shè)備被國外所壟斷。

4、目前SiC功率模塊存在的主要問題：

（1）采用多芯片并聯(lián)的SiC功率模塊，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無法發(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功率器件的驅(qū)動技術(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。??

六、未來展望

第三代半導(dǎo)體功率器件在汽車行業(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電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

此外，隨著車載電子系統(tǒng)功能越來越多、集成度越來越高，對半導(dǎo)體器件的性能要求也將不斷提高。未來，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)一步推動汽車行業(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，在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。從電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)到智能駕駛系統(tǒng)，從汽車電子系統(tǒng)到新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，第三代半導(dǎo)體功率器件正助力汽車行業(yè)邁向更高的技術(shù)水平。

審核編輯：湯梓紅