产品特点

　　上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代 了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电 子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能 较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

　　随着 Si 材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导 体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在 红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起， 则是以氮化镓（GaN）材料 p 型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光 二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括 GaN、碳 化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。

　　第三代半导体（本文以 SiC 和 GaN 为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在 2.2eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电 子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。SiC 与 GaN 相比较，前者相 对 GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别 是热导率，这使得在高功率应用中，SiC 占据统治地位；同时由于 GaN 具有更高的电子迁移率，因而能够比 SiC 或 Si 具有更高的开关速度，在 高频率应用领域，GaN 具备优势。

　　虽然学术界和产业界很早认识到SiC和GaN相对于传统Si材料的优点， 但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得 到应用，无法挑战 Si 基器件的统治地位，但是随着 5G、汽车等新市场 出现，SiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着 制备技术的进步，SiC 与 GaN 器件与模块在成本上已经可以纳入备选方 案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaN 的时代即将迎来。

　　SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非 常稳定。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶格结构，如 4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高 的电流密度，常被用来做功率器件。

　　SiC 从上个世纪 70 年始研发，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiC MOSFET 商用，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和 外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6 英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本， 推进 SiC 器件和模块的普及。

　　降低能量损耗。SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关损 耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT 模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的高速 开关工作，全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速 开关。

　　低阻值使得更易实现小型化。SiC 材料具备更低的通态电阻，阻值 相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可达到仅 为 Si 的 1/10 左右。

　　更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev，相应的本征温度可高达 800 摄 氏度，承受的温度相对 Si 更高；SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的热导 率，而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功 率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自 然冷却。

　　SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对 应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。

　　SiC 衬底：SiC 晶体通常用 Lely 法制造，国际主流产品正从 4 英寸 向 6 英寸过渡，且已经开发出 8 英寸导电型衬底产品，国内衬底以 4 英寸为主。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生 产 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较长时间。

　　SiC 外延：通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺 杂类型，分为 n 型、p 型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提 供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

　　SiC 器件：国际上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业 化，主流产品耐压水平在 1200V 以下，封装形式以 TO 封装为主。价格方面，国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5~6 倍，正以 每年 10%的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上线 年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应 Si 产品 2~3 倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC 逐步 占领 Si 器件的市场空间。

　　全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球 独大，全球 SiC 产量的 70%~80%来自美国公司，典型公司是 Cree、Ⅱ -Ⅵ；欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司 是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型 公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

　　国内企业在 SiC 方面也多有布局。SiC 衬底方面，天科合达、山东天岳、 同光晶体等均能供应 3 英寸~6 英寸的单晶衬底。SiC 外延片方面，厦门 瀚天天成与东莞天域生产 3 英寸~6 英寸 SiC 外延片。SiC 器件 IDM 方 面，中电科55所是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、 模块封装领域实现全产业链的企业单位，其 6 英寸碳化硅中试线已投入 运行，旗下的控股子公司扬州国扬电子为“宽禁带电力电子器件国家重 点实验室”的重要实体单位，专业从事以碳化硅为代表的新型半导体功 率模块的研制和批产，现有一条于 2017 年投产、产能 50 万只/年的模 块工艺线。泰科天润已经量产 SiC SBD，产品涵盖 600V/5A～50A、 1200V/5A～50A 和 1700V/10A 系列。深圳基本半导体拥有独创的 3D SiC 技术，推出的 1200V SiC MOSFET 性能达到业界领先水平。SiC 器 件 Fabless 方面，上海瞻芯电子于 2018 年 5 月成功地在一条成熟量产 的 6 英寸工艺生产线上完成 SiC MOSFET 的制造流程。代工方面，三 安光电旗下的三安集成于2018年12月公布商业版本的6英寸碳SiC晶 圆制造流程，并将其加入到代工组合当中。根据公司新闻稿，目前三安 SiC 工艺技术可以为 650V、1200V 和更高额定电压的肖特基势垒二极 管（SBD）提供器件结构，公司预计在不久后会推出针对 900V、1200V 和更高额定电压的 SiC MOSFETs 产品。

　　SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中，典型市场包括轨交、功 率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、 充电桩、不间断电源（UPS）等。根据 Yole 的预测，2017~2023 年， SiC 功率器件市场将以每年 31%的复合增长率增长，2023 年将超过 15 亿美元；而 SiC 行业龙头 Cree 则更为乐观，其预计短期到 2022 年， SiC 在电动车用市场空间将快速成长到 24 亿美元，是 2017 年车用 SiC 整体收入（700 万美元）的 342 倍。

　　SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，技术也已 经趋于成熟，令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。与传统解决方案相比，基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更 加紧凑。目前SiC器件在EV/HEV上应用主要是功率控制单元、逆变器、 DC-DC 转换器、车载充电器等方面。

　　新能源车的功率控制单元（PCU）。PCU 是汽车电驱系统的中枢神经， 管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用硅基 材料半导体制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能 损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则大大降低了 这一过程中能量损失，将传统 PCU 配备的 Si 二极管置换成 SiC 二极 管，Si IGBT 置换成 SiC MOSFET，就可以降低 10%的总能量损耗， 同时也可以大幅降低器件尺寸，使得车辆更为紧凑。丰田中央研发实验 室（CRDL）和电装公司从 1980 年代就开始合作开发 SiC 半导体材料， 2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导体器件的新能源汽车 PCU，是这 一领域的典型代表。

　　车用逆变器。SiC 用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸及重 量，做到轻量化与节能。在相同功率等级下，全 SiC 模块的封装尺寸显 著小于Si模块，同时也可以使开关损耗降低75％（芯片温度为150°C）；在相同封装下，全 SiC 模块具备更高电流输出能力，支持逆变器达到更 高功率。特斯拉 Model 3 采用了意法半导体（后来增加了英飞凌）生产 的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。2017 年 12 月 2 日，ROHM 为 VENTURI 车队在电动汽车全球赛事“FIA Formula E” 锦标赛第四赛季中提供了采用全 SiC 功率模块制造的逆变 器，使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降 43%，重量轻了 6kg。

　　车载充电器。SiC 功率器件正在加速其在车载充电器领域的应用趋势， 在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德国纽 伦堡举行）上，多家厂商推出了面向 HEV/EV 等电动汽车充电器的 SiC 功率器件产品。据 Yole 统计，截至 2018 年有超过 20 家汽车厂商在自 家车载充电器中采用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件，且这一市场在 2023 年之前保持 44%的增长。

　　GaN 材料与 Si/SiC 相比有独特优势。GaN 与 SiC 同属于第三代宽禁带 半导体材料，相较于已经发展十多年的 SiC，GaN 功率器件是后进者， 它拥有类似 SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。与传统 Si 材料相比，基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率密 度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有 效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。

　　GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为 1700℃， GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或 0.43）。在大气压力下，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。

　　GaN 器件逐步步入成熟阶段。基于 GaN 的 LED 自上世纪 90 年始大放异彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世纪初以来，GaN 功率器件已 经逐步商业化。2010 年，第一个 GaN 功率器件由 IR 投入市场，2014 年以后，600V GaN HEMT 已经成为 GaN 器件主流。2014 年，行业首 次在 8 英寸 SiC 上生长 GaN 器件。

　　随着成本降低，GaN 市场空间持续放大。GaN 与 SiC、Si 材料各有其 优势领域，但是也有重叠的地方。GaN 材料电子饱和漂移速率最高，适 合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如 SiC；随着成本的下降， GaN 有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET 等硅基功率器 件。以电压来分，0~300V 是 Si 材料占据优。