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

與Si器件相比，SiC被認為是一種超越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，大面積應用于汽車、工業(yè)、電源和云計算等市場。

回顧半導體材料的發(fā)展歷程，可以分為三個階段：

第一階段：以硅(Si)、鍺(Ge)為代表的第一代半導體原料；

第二階段：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)等寬禁帶半導體原料為主。

同被稱為第三代半導體材料的GaN，因其特性多被用于650V以下的中低壓功率器件，以及射頻與光電領域，而SiC則主要用在650V以上的高壓功率器件領域。

利用SiC器件可以明顯獲得小型輕量，高能效和驅動力強的系統(tǒng)性能。經(jīng)過研究和長期的市場認證，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，減少電子轉換損耗80%以上。

因此，作為第三代半導體的代表材料，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)勢將推進碳化硅器件市場規(guī)模的擴張，也將促使更多的功率半導體企業(yè)將目光聚焦在SiC器件上。當前我國也正在推進5G、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車、充電樁等多個領域的“新基建”建設，為SiC提供了廣闊的市場前景。

在強勁增長的背景下，縱觀全球半導體市場，安森美半導體作為半導體領域領先企業(yè)，尤其是在功率半導體這一細分領域，安森美半導體通過一系列收購，成為了全球第二大功率（分立和模塊）半導體供應商。

安森美半導體電源方案部產品市場經(jīng)理王利民表示，安森美半導體致力實現(xiàn)從晶體生長到成品的完全垂直整合，提供高質量、穩(wěn)定可靠、高性價比的SiC器件和方案，推出了多代技術的產品，專注服務于電動汽車、工業(yè)、云計算等領域，并以領先的SiC技術助力變革能源市場。

SiC的競爭焦點

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，國內也有不少廠商陸續(xù)推出SiC功率器件產品，如泰科天潤、基本半導體和楊杰科技等。

整體來看，SiC產業(yè)鏈可分為三個產業(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?？v觀整個SiC產業(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、設計-制造-封裝，到模塊和應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)廠商提供的產品或服務大致相同，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。

以安森半導體為例，其競爭優(yōu)勢在于全球領先的可靠性，高性價比，以及能夠提供從單管到模塊的非常寬泛的產品等一系列的競爭優(yōu)勢。此外，所有產品都符合車規(guī)級標準，確保最高級別的質量。

“安森美半導體的SiC器件有全球領先的可靠性，在H3TRB測試（高溫度/濕度/高偏置電壓）里，安森美半導體的SiC二極管可以通過1000小時的可靠性測試。實際測試中，會延長到2000小時，大幅領先于市場的可靠性水平；如何實現(xiàn)高性價比？一是通過設計、技術進步來降低成本；二是通過領先的6英寸晶圓的制造以及最好的良率來達到好的成本；三是通過不斷地擴大生產規(guī)模，用比較大生產規(guī)模降低成本。慢慢地，小規(guī)模的廠家就會比較難競爭。”王利民補充道。

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)濟的利益，擴大生產規(guī)模，市場均勢被打破，在“削價競銷”或“贏者通吃”的規(guī)律下贏得自身競爭力。即在市場經(jīng)濟條件下，企業(yè)從各自的利益出發(fā)，為取得較好的產銷條件、獲得更多的市場資源而競爭。通過競爭，實現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)勝劣汰，進而實現(xiàn)生產要素的優(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)模增長的主要驅動力，約占到SiC總體市場的60%。

新能源汽車系統(tǒng)架構中涉及到功率半導體應用的組件包括三部分：電機驅動器、車載充電器(OBC)/非車載充電樁和電源轉換系統(tǒng)(車載DC/DC)，SiC功率器件憑借其獨有的優(yōu)勢在其中發(fā)著重要作用。

電機驅動

SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及開關頻率，通過降低開關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雜性。

車載充電器

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。

電源轉換

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)的需求的同時大大降低整個系統(tǒng)的重量和體積。

憑借對于性能的顯著提升，眾多汽車產業(yè)鏈企業(yè)紛紛加入了SiC的戰(zhàn)場。

博世汽車計劃生產用于電動汽車的碳化硅功率器件，即將在不久的將來尋找到SiC產品的量產路徑，這是博世歷史上最大的一筆投資；

作為第一家將SiC模塊批量應用到電動汽車上的整車廠，特斯拉每年預計消耗50萬片6寸SiC晶圓，其也是首家采用SiC MOSFET來做逆變器的車廠。

比亞迪已自主研究碳化硅產業(yè)，并擴大碳化硅功率元件的規(guī)劃，要建立完整的產業(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。

SiC器件在汽車領域前景將迎來爆發(fā)期。王利民對此強調，特斯拉在SiC器件的應用方面對新能源汽車企業(yè)帶來了極大的示范效應。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。

其中，安森美半導體SiC MOSFET使用了全新技術，能夠提供卓越的開關性能，比硅具有更高的可靠性。另外，低導通電阻和緊湊的芯片尺寸，可確保低電容和低門極電荷。

新能源汽車產業(yè)作為一個規(guī)?？焖僭鲩L、技術持續(xù)革新的新興支柱產業(yè)，將在汽車電動化滲透率提升的過程中為多個細分技術領域提供廣闊的應用市場。SiC功率器件在新能源汽車的應用尚處于早期階段，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，也為它帶來了相應的挑戰(zhàn)。從材料成本上，SiC材料價格偏高，導致產品大規(guī)模推廣受阻，SiC器件目前市場滲透率較低。

規(guī)模效應

王利民認為，SiC功率器件的規(guī)模化應用可以降低其成本，但現(xiàn)階段據(jù)其規(guī)?；陌l(fā)展仍需時間。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”成本優(yōu)勢，這主要歸功于SiC的高能效、小體積以及低發(fā)熱下使用壽命的增長。

SiC已為許多汽車應用提供了“系統(tǒng)級”成本效益，下一步關鍵是實現(xiàn)IGBT成本平價，一旦SiC可以在器件級實現(xiàn)與IGBT的成本平價，更高的效率結合更低的價格所帶來的優(yōu)勢必然可以牽引電動汽車市場的應用。這也是安森美半導體的目標之一。

工藝改良

除規(guī)模效應外，如何從技術的角度降低SiC功率器件的成本?

安森美半導體指出，SiC晶圓生產工藝的改良是降低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，晶圓短缺和價格高昂一直是SiC之前難啃的“硬骨頭”，目前市場正逐步從4英寸轉向6英寸。據(jù)Yole預測數(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，預計將在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。

王利民強調，“與容易達到的12英寸硅材料不同，SiC材料非常堅硬，并且在機械上難以處理超薄的大尺寸晶圓。就在幾年前，安森美半導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?！?/span>

此外，“SiC材料相當堅硬，機械上很難處理纖細的大尺寸晶圓，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概念，目前幾乎所有廠商都無法處理超薄的超大晶圓，進行批量生產?！?/span>

寫在最后

在既有廠商與新進者相繼布局之下，SiC成為半導體新材料的發(fā)展趨勢已定，雖然受限成本與技術門檻較高、產品良率不高等因素，使得SiC晶圓短期內仍難普及。

但隨著5G、電動汽車、工業(yè)等需求持續(xù)驅動，將成為加速SiC晶圓市場快速發(fā)展的重要推手，且在產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技術助力變革能源市場。

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