碳化硅的性能和應用場景

碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射等優良電氣特性，突破硅基半導體材料物理限制，是第三代半導體核心材料。碳化硅材料主要可以制成碳化硅基氮化鎵射頻器件和碳化硅功率器件。受益于5G通信、國防軍工、新能源汽車和新能源光伏等領域的發展，碳化硅需求增速可觀。

一、性能突出，寬禁帶半導體核心材料

第一代半導體主要有硅和鍺，由于硅的自然儲量大、制備工藝簡單，硅成為制造半導體產品的主要原材料，廣泛應用于集成電路等低壓、低頻、低功率場景。但是，第一代半導體材料難以滿足高功率及高頻器件需求。

砷化鎵是第二代半導體材料的代表，較高的電子遷移率使其應用于光電子和微電子領域，是制作半導體發光二極管和通信器件的核心材料。但砷化鎵材料的禁帶寬度較小、擊穿電場低且具有毒性，無法在高溫、高頻、高功率器件領域推廣。

第三代半導體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導體材料相比最大的優勢是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場強度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、5G基站、衛星等新興領域的理想材料。

SiC具有寬的禁帶寬度、高擊穿電場、高熱傳導率和高電子飽和速率的物理性能，使其有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等優點，可降低下游產品能耗、減少終端體積。碳化硅的禁帶寬度大約為3.2eV，硅的寬帶寬度為1.12eV，大約為碳化硅禁帶寬度的1/3，這也就說明碳化硅的耐高壓性能顯著好于硅材料。

此外，碳化硅的熱導率大幅高于其他材料，從而使得碳化硅器件可在較高的溫度下運行，其工作溫度高達600℃，而硅器件的極限溫度僅為300℃；另一方面，高熱導率有助于器件快速降溫，從而下游企業可簡化器件終端的冷卻系統，使得器件輕量化。根據CREE的數據，相同規格的碳化硅基MOSFET尺寸僅為硅基MOSFET的1/10。

同時，碳化硅具有較高的能量轉換效率，且不會隨著頻率的提高而降低，碳化硅器件的工作頻率可以達到硅基器件的10倍，相同規格的碳化硅基MOSFET總能量損耗僅為硅基IGBT的30%。碳化硅材料將在高溫、高頻、高頻領域逐步替代硅，在5G通信、航空航天、新能源汽車、智能電網領域發揮重要作用。

碳化硅產業鏈可分為三個環節：碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應用市場，通常采用物理氣相傳輸法（PVT法）制備碳化硅單晶，再在襯底上使用化學氣相沉積法（CVD法）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的產業鏈中，主要價值量集中于上游碳化硅襯底（占比50%左右）。

碳化硅應用場景根據產品類型劃分：

1、射頻器件：射頻器件是在無線通信領域負責信號轉換的部件，如功率放大器、射頻開關、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導率高、高頻率、高功率等優點，相較于傳統的硅基LDMOS器件，其可以更好地適應5G通信基站、雷達應用等領域低能耗、高效率要求。

2、功率器件：又稱電力電子器件，主要應用于電力設備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1000V以上的中高壓領域有深遠影響，主要應用領域有電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等。

3、新能源汽車：電動汽車系統涉及功率半導體應用的組件有電機驅動系統、車載充電系統（On-board charger，OBC）、車載DC/DC及非車載充電樁。其中，電動車逆變器市場碳化硅功率器件應用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長。目前，國內外車企均積極布局碳化硅器件應用，以優化電動汽車性能，特斯拉、比亞迪、豐田等車企均開始采用碳化硅器件。隨著碳化硅功率器件的生產成本降低，碳化硅在充電樁領域的應用也將逐步深入。

4、光伏發電：目前，光伏逆變器龍頭企業已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根據中商情報網數據，使用碳化硅功率器件可使轉換效率從96%提高至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍，從而帶來成本低、效能高的好處。

5、智能電網：國家大力發展新基建，特高壓輸電工程對碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能電網中的主要應用場景包括：高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。相比其他電力電子裝置，電力系統要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導致的系統局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優勢，在固態變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動智能電網的發展和變革。

6、軌道交通：軌道交通對其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機等裝置

7、射頻通信：碳化硅基氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術路線。

審核編輯：湯梓紅