據瞭(le)解，除瞭(le)特斯拉最新的Model 3車型採(cǎi)用SiC MOSFET來提升電驅系統的工作效率及充電效率外，歐洲的350KW超級充電站也正在加大SiC器件的採(cǎi)用。而在國内，比亞迪 、北汽新能源等車企也在加碼SiC器件在電動汽車領域的應用 ，主要以汽車充電樁場景應用爲主 。
第三代半導體材料崛起
科技總是不斷進步的，半導體材料發展至今經曆瞭三個階段：
第一代半導體被稱(chēng)爲“元素半導體”，典型如矽基和鍺基半導體。其中，矽基半導體技術應用比較廣、技術比較成熟。截止目前，全球半導體99%以上的半導體芯片和器件都是以矽片爲基礎材料生産(chǎn)出來的。
在1950年時候 ，半導(dǎo)體材料卻以鍺爲主導(dǎo) ，主要應用於(yú)低壓、低頻及中功率晶體管中，但它的缺點也極爲明顯 ，那就是耐高溫和抗輻射性能較差。
到瞭(le)1960年，0.75寸（20mm）單晶矽片的出現，讓鍺基半導體缺點被無限放大的同時，矽基半導體也徹底取代瞭(le)鍺基半導體的市場(chǎng) 。
進入21世紀後，通信技術的飛速發展，讓GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等半導體材料成爲新的市場(chǎng)需求，這也是第二代半導體材料 ，被稱(chēng)爲“化合物半導體”。
由於(yú)對於(yú)電子器件使用條件的要求增高，要适應高頻、大功率、耐高溫、抗輻射等環境，所以第三代寬禁帶半導體材料迎來瞭(le)新的發展。
當然，第三代半導體材料也是化合物半導體，主要包括SiC、GaN等，至於(yú)爲何被稱(chēng)爲寬禁帶半導體材料，主要是因爲其禁帶寬度大於(yú)或小於(yú)2.3eV（電子伏特）。
圖片來源：網站
同時 ，由於(yú)第三代半導體具有高擊穿電場、高飽(bǎo)和電子速度、高熱導率 、搞電子密度、高遷移率等特點 ，因此也被業内譽爲固态光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等産業的“新發動機”。
新能源汽車(chē)帶(dài)給SiC的機遇
雖然同爲第三代半導體材料，但由於SiC和GaN的性能不同，所以應用的場景也存在差異化。
GaN的市場應用偏向高頻小電力領域，集中在1000V以下；而SiC 适用於(yú)1200V 以上的高溫大電力領域，兩者的應用領域覆蓋瞭(le)新能源汽車 、光伏、機車牽引、智能電網、節能家電、通信射頻等大多數具有廣闊發展前景的新興應用市場。
圖片來源 ：ROHM
與GaN 相比，SiC熱導率是GaN 的三倍以上，在高溫應用領域更有優勢；同時SiC單晶的制備(bèi)技術相對更成熟，所以SiC 功率器件的種類遠多於(yú)GaN。
圖片來源 ：英飛淩
SiC電(diàn)力電(diàn)子器件主要包括功率二極管和三極管(晶體管、開關管)。SiC功率器件可使電(diàn)力電(diàn)子系統的功率 、溫度、頻率、抗輻射能力、效率和可靠性倍增，帶(dài)來體積、重量以及成本的大幅減低。SiC功率器件應用領域可以按電(diàn)壓劃(huà)分 ：
低壓(yā)應(yīng)用(600 V至1.2kV)：高端消費領域(如遊戲控制台、等離子和液晶電視等)、商業應用領域(如筆記本電腦 、固态照明、電子鎮流器等)以及其他領域(如醫療、電信、國防等)；
中壓(yā)應(yīng)用(1.2kV至1.7kV)：電動汽車/混合電動汽車(EV/HEV)、太陽能光伏逆變器、不間斷電源(UPS)以及工業電機驅動(交流驅動AC Drive)等；
高壓(yā)應(yīng)用(2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上)：風力發電 、機車牽引、高壓/特高壓輸變電等 。
以 SiC 爲材料的二極管、MOSFET、IGBT 等器件未來有望在汽車電子領域取代 Si。對比目前市場主流1200V 矽基IGBT 及SiC MOSFET，可以發現 SiC MOSFET 産品較Si基産品能夠大幅減少Die Size，且表現性能更好 。但是目前最大阻礙(ài)仍在於(yú)成本 ，根據 yoledevelopment測算 ，單片成本SiC比Si基産品高出 7-8 倍。
圖片來源：ROHM
SiC近期産(chǎn)業化進度加速 ，上遊産(chǎn)業鏈開始擴大規模和鎖定貨源。整理全球SiC制造龍頭Cree公告發現 ，近期碳化矽産(chǎn)業化進度開始加速，ST、英飛淩等中遊廠(chǎng)商開始鎖定上遊。
2018年2月，Cree與英飛淩簽訂瞭(le)1億美元的長期供應協議 ，爲其光伏逆變(biàn)器、機器人、充電基礎設施、工業電源、牽引和變(biàn)速驅動器等産品提供 SiC 晶圓。
2018年10月，Cree宣布瞭(le)一項價值8500萬美元的長期協議 ，将爲一家未公布名稱的“領先電力設備(bèi)公司”生産和供應 SiC 晶圓。
2019年1月，Cree與ST簽署一項爲期多年的2.5億美元規(guī)模的生産(chǎn)供應協議，Wolfspeed 将會向ST供應150mm SiC晶圓。
據研究機構(gòu)IHS預測(cè)，到2025年SiC功率半導體的市場(chǎng)規模有望達(dá)到30億美元。在未來的10年内 ，SiC 器件将開始大範圍地應用於(yú)工業及電動汽車領域。該市場增長的主要驅動因素是由於(yú)電源供應和逆變(biàn)器應用越來越多地使用 SiC 器件。
數據(jù)來源：YoleDevelopment、國(guó)盛證券研究所
SiC會取代IGBT嗎？
我們知道 ，車用功率模塊(當前的主流是IGBT)決定瞭車用電驅動系統的關鍵性能 ，同時占電機逆變器成本的40%以上，是核心部件。
目前，IGBT約占電(diàn)機驅動器成本的三分之一，而電(diàn)機驅動器約占整車(chē)成本的15~20%，也就是說 ，IGBT占整車(chē)成本的5~7%。2018年，中國新能源汽車(chē)銷量按125萬輛計算的話，平均每輛車(chē)大約消耗450美元的IGBT，所有車(chē)共需消耗約5.6億美元的IGBT。
但SiC的出現，讓業内人士抓住瞭(le)新的機會。甚至有業者認爲，未來，SiC将會徹底取代IGBT。那麽，那麽，市場(chǎng)爲什麽會如此青睐SiC呢?
編(biān)者整理部分業者的看法，總結瞭(le)以下三點：
1、SiC器件的工作結溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達20kV，這些性能都優於(yú)傳(chuán)統矽器件；
2、SiC器件體積(jī)可減小到IGBT整機(jī)的1/3-1/5，重量可減小到40-60%；
3、SiC器件還(hái)可以提升系統的效率，進一步提高性價(jià)比和可靠性。
在電動車(chē)的不同工況下 ，SiC器件與IGBT的性能對比情況如下圖所示，不同工況下，SiC的功耗降低瞭(le)60-80%，效率提升瞭(le)1-3%，SiC的優勢可見一斑。
圖片來(lái)源：PSIC 2019論(lùn)壇
整體來看，SiC想要取代IGBT，還(hái)需要解決良率 、成本及可靠性等多方面難題。換句話(huà)說，如果SiC的性價比比不上IGBT，那麽想要取而代之 ，可能性很小 。
當然，SiC的未來前景還是可以期待的，畢竟它的整體性能遠超IGBT太多，如果大規模用於(yú)新能源汽車後 ，将會極大程度提升其充電效率 、續航裏程及減輕整車重量（最明顯的例子便是特斯拉Model3）。至於(yú)取代IGBT隻不過是時間問題，目前的市場狀态是，SiC會逐漸取代IGBT在新能源汽車領域的部分市場，這種趨勢還會随著(zhe)SiC規模化量産逐漸加大。
SiC大規(guī)模商用面臨哪些難點(diǎn)？
從産業鏈角度看 ，碳化矽包括單(dān)晶襯(chèn)底 、外延片 、器件設計、器件制造等環節，但目前全球碳化矽市場基本被在國外企業所壟斷。
在全球市場(chǎng)中，單晶襯(chèn)底企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等，外延片企業主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆 、三菱電機、Infineon等，器件方面，全球大部分市場(chǎng)份額被Infineon、Cree、羅姆 、意法半導體等少數企業瓜分。
由於(yú)碳化矽産業環節如芯片性能與材料、結構設計、制造工藝之間的關聯性較強 ，不少企業仍選擇採用IDM模式 ，如羅姆和Cree均覆蓋瞭(le)碳化矽襯底 、外延片 、器件、模組全産業鏈環節 ，其中Cree占據襯底市場約40%份額、器件市場約23%份額。
事實上，目前整個碳化矽産業尚未進入成熟期 ，但國際廠商已實現多個環節規模量産技術瓶頸的突破 ，並(bìng)已摩拳擦掌、即将掀起一場大戰，而國内碳化矽産業仍處於(yú)起步階段，與國際水平仍存在差距 。
圖片來(lái)源：YoleDevelopment、國(guó)盛證券研究所
就目前來看 ，SiC芯片目前面臨(lín)的挑戰(zhàn)主要包括：
1、成品率低，成本高 。SiC在效能上較IGBT優良，但制造成本偏高，由於(yú)SiC在磊晶制作上有材料應力上的不一緻性，造成晶圓尺寸放大時，會有磊晶層(céng)接合面應力拉伸極限的問題，導緻晶格損壞影響良率，故晶圓尺寸主流仍維持4寸或6寸，無法取得大尺寸晶圓成本優勢。
2、SiC MOSFET缺少長(zhǎng)期可靠性數據，這一點(diǎn)還需要不斷實驗與改進。
很明顯的體現就是，SiC芯片載流能力低，而成本過高，同等級别的SiC MOSFET芯片，其成本是矽基IGBT的8-12倍。功耗方面，SiC MOSFET先於(yú)矽基IGBT開通，後於(yú)IGBT關斷，而IGBT可以實現ZVS(零電(diàn)壓開關)，可大幅降低損耗。
總體來看，矽基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET芯片的90%，而成本則是SiC MOSFET的25%，由於(yú)矽便宜又好用，因此，SiC和矽混合開關模塊會有很大的市場(chǎng)應用前景，而純SiC芯片及器件要想在汽車功率系統當中普及，還需要時間。
寫在最後
整體而言，由於制造成本與産能等因素，初期SiC功率元件在新能源汽車市場的滲透率不高。但随著技術的不斷提升，預估2023年前後市場會有顯著成長，對IDM大廠而言，持續拓展産品線多元化應用、降低制造成本並提升産能，将是拓展市場的重點。
在新能源汽車(chē)強勢需求的推動下，提前布局SiC已成爲大勢所趨。國内企業需通過自主創新突破技術壁壘，掌握自主的核心技術，在實現國産(chǎn)化的基礎上，借助發展新能源汽車(chē)的東風将國産(chǎn)SiC推向世界。
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