碳化硅，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展新契機
作者：admin 發(fā)布日期：2020/8/4 關(guān)注次數(shù)：
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碳化硅材料是功率半導(dǎo)體行業(yè)主要進步發(fā)展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率。可預(yù)見的未來內(nèi)，新能源汽車是碳化硅功率器件的主要應(yīng)用場景。特斯拉作為技術(shù)先驅(qū)，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計劃擴大碳化硅的應(yīng)用。隨著大同碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術(shù)的逐步成熟，碳化硅功率器件行業(yè)未來可期。
行業(yè)介紹及市場現(xiàn)狀：碳化硅半導(dǎo)體的技術(shù)優(yōu)勢突出，目前滲透率尚低。
功率半導(dǎo)體（又稱電力電子器件）用于電能轉(zhuǎn)換、控制電流控制，是電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，應(yīng)用于電源、電機控制、可再生能源、電力傳輸、動力牽引等輸變電和用電場景。
2019年，全球功率器件市場規(guī)模約為400億美元，過去5年平均復(fù)合增長率5.1%。其中，中國是的市場，占比近40%。
數(shù)據(jù)來源：IHS Markit
功率器件使用的半導(dǎo)體材料分為三代：
一代半導(dǎo)體材料為硅（Si）、鍺（Ge）等單質(zhì)材料。由于工藝成熟及生產(chǎn)成本低，硅占據(jù)95%以上的半導(dǎo)體器件，是當(dāng)今半導(dǎo)體材料的主體；
二代半導(dǎo)體材料為砷化鎵(GaAs)等化合物材料。砷化鎵半導(dǎo)體的電子遷移率高、禁帶寬度比硅大，具備高耐壓、高頻率等優(yōu)勢，但也有機械強度弱、高溫下易分解、生長速度慢、價格昂貴等劣勢，目前主要應(yīng)用于LED等光電子領(lǐng)域；
三代半導(dǎo)體材料為碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶材料。
提高能源利用效率（減少能量消耗和損耗）是功率半導(dǎo)體技術(shù)進步的主要方向。理想目標(biāo)是，功率半導(dǎo)體在導(dǎo)通狀態(tài)下沒有任何功率消耗，在關(guān)斷狀態(tài)下也沒有漏電流。現(xiàn)今，根據(jù)IEA的報告，世界電能損耗占總電能量的20%，無論從經(jīng)濟效益還是環(huán)境保護的角度來看，都是了浪費。然而，以傳統(tǒng)硅材料制作的功率半導(dǎo)體器件，電能變換效率已達理論限制。
以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用而生，已成為功率半導(dǎo)體下一代技術(shù)演進方向。根據(jù)中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，第三代半導(dǎo)體材料的性能優(yōu)勢包括：高電子漂移速度，可減少電能轉(zhuǎn)換功耗，提高能源利用效率；禁帶寬度高，臨界擊穿電壓大，減少高壓運行條件系統(tǒng)所需器件數(shù)量，促進系統(tǒng)小型化、輕量化；高熱導(dǎo)率，減少所需冷卻系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)來源：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線圖》
與氮化鎵相比，碳化硅更適合在1,000V以上的電力系統(tǒng)中應(yīng)用，包括電動汽車、充電樁、新能源發(fā)電裝置、高鐵動力牽引等中高壓場景。氮化鎵器件使用硅材料襯底的技術(shù)成熟后，相對使用同質(zhì)襯底的碳化硅器件，更具成本優(yōu)勢。未來在中低壓場景，碳化硅與氮化鎵材料制作的器件會有所競爭。
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