工業(yè)革命以來，化石能源的使用大幅度提升生產(chǎn)效率，推動社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但碳排放量的持續(xù)增加也導(dǎo)致全球極端天氣的頻發(fā)以及生態(tài)環(huán)境的退化危機(jī)。

文 |Vico

——四大危機(jī)問題突顯

• 環(huán)境問題

與工業(yè)革命前相比全球平均氣溫上升控制在1.5℃以下

• 資源枯竭

2030年可再生能源占比實(shí)現(xiàn)36～38%

• 人口問題

2050年全球總?cè)丝诔^97億

• 全球老齡化問題

2050年全球65歲以上高齡人口預(yù)計(jì)達(dá)到16%

面對四大危機(jī)問題，中國提出了大國的承諾，2030年碳達(dá)峰（碳達(dá)峰是指中國承諾二氧化碳排放量到2030年不增加，達(dá)到峰值后逐漸減少），2060年碳中和（碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人計(jì)算一定時(shí)期內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量。

通過植樹造林、節(jié)能減排等方式抵消自身的二氧化碳排放，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的“零排放”），實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

碳化硅

在雙碳目標(biāo)中崛起

1.碳化硅結(jié)構(gòu)

碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大(單位是電子伏特(ev))、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高，熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵 參數(shù)方面有顯著優(yōu)勢?？梢詽M足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求。

因此，碳化硅材料制備的射頻器 件及功率器件可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏、5G 通信等領(lǐng)域，是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中具備 廣闊前景的材料之一。

圖〡SiC材料和Si材料性能對比

禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。簡而言之，禁帶寬度的大小實(shí)際上是反映了價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，也就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量。

對于SiC而言，因?yàn)镃原子本身的電子數(shù)比硅小，因此C原子對于外層電子的束縛能力強(qiáng)，禁帶比硅更寬，Si和C形成的化學(xué)鍵，更難被打破。 既然需要寬禁帶材料，從不導(dǎo)通狀態(tài)激發(fā)到導(dǎo)通狀態(tài)需要的能量更大，因此可以耐受更高的溫度和電壓。

相對于同樣電壓等級的硅器件，SiC的die可以做得更小，depletion region的面積可以更小，因此，寄生參數(shù)更小，寄生參數(shù)主要表現(xiàn)在導(dǎo)通電阻和寄生電容上。

禁帶寬度(Band gap)是指一個(gè)能帶寬度(單位是電子伏特(ev))，固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導(dǎo)電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶（能導(dǎo)電），被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度

圖〡SiC單位晶體結(jié)構(gòu)圖

2、碳化硅SiC MOSFET 較 IGBT 可同時(shí)具備耐高壓、低損耗和高頻三大優(yōu)勢

• 碳化硅擊穿電場強(qiáng)度是硅的十余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。

• 碳化硅具有 3 倍于硅的禁帶寬度，使得 SiC MOSFET 泄漏電流較硅基 IGBT 大幅減少，降低導(dǎo)電損耗。同時(shí)， SiC MOSFET 屬于單極器件，不存在拖尾電流，且較高的載流子遷移率減少了開關(guān)時(shí)間，開關(guān)損耗因此得以降低。相同規(guī)格的碳化硅 MOSFET 較硅基 IGBT 的總能量損耗可大大減低 73%。

• 涵蓋 MOSFET 自身特點(diǎn)，較 IGBT 具備高頻優(yōu)勢。相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 與硅基 MOSFET 相比，其尺寸可 大幅減少至原來的 1/10。

圖〡SiC晶體管和Si-ICBT指標(biāo)對比

碳化硅

應(yīng)用場景

汽車領(lǐng)域

1、碳化硅在汽車整機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢明顯

• 實(shí)現(xiàn)高效化，提升續(xù)航里程，減小電池容量， 降低整車重量 簡化冷卻系統(tǒng)

• 實(shí)現(xiàn)電源主機(jī)逆變和升壓電路高頻化 電感小型化，減小母排電容尺寸，降低噪音，降低鐵損

• 實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)高壓化 減輕線材重量，減低銅損，電機(jī)小型化，同時(shí)增加電機(jī)輸出功率

2、碳化硅可以助力新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化及降低損耗，增加續(xù)航里程。

• 碳化硅較硅擁有更高熱導(dǎo)率，散熱容易且極限工作溫度更高，可有效降低汽車系統(tǒng)中散熱器的體積和成本。同時(shí)，SiC 材料較高的載流子遷移率使其能夠提供更高電流密度，在相同功率等級中，碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基模塊，進(jìn)一步助力新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化。

• SiC MOSFET 器件較硅基 IGBT 在開關(guān)損耗、導(dǎo)電損耗等方面具備顯著優(yōu)勢，其在新能源汽車的應(yīng)用可有效降低損耗。根據(jù)豐田官網(wǎng)，豐田預(yù)測 SiC MOSFET 的應(yīng)用有助于提升電動車的續(xù)航里程約 5%-10%。

• 由于 SiC 材料具備更高的功率密度，所以同等功率下，SiC 器件的體積可以縮小至 1/2 甚至更低

• 由于 SiC MOSFET 的高頻特性，SiC 的應(yīng)用能夠顯著減少電容、 電感等被動元件的應(yīng)用，簡化周邊電路設(shè)計(jì)。

  
  

從特斯拉的方案來看，主逆變器采用 SiC 能顯著降低損耗和提升功率密度。特斯拉 Model 3 在主逆變器中率先采用 SiC 方案（搭載意法半導(dǎo)體的 SiC MOSFET 模組），替代原先 Model X 主逆變器方案（搭載英飛凌的 IGBT 單管）。

對比產(chǎn)品參數(shù)可知，所用 SiC MOSFET 的反應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和開關(guān)損耗均顯著降低。同時(shí)，Model 3 主逆變器上有 24 個(gè) SiC 模塊，每個(gè)模塊內(nèi)含 2 顆 SiC 裸晶，共用到 48 顆 SiC MOSFET， 如果仍采用 Model X 的 IGBT，則需要 54-60 顆。該方案使得 Model 3 主逆變器的整體結(jié)構(gòu) 更為簡潔、整體質(zhì)量和體積更輕、功率密度更高。

工業(yè)領(lǐng)域

1、碳化硅在工業(yè)領(lǐng)域解決效率低的痛點(diǎn)

• SiC器件改善光伏發(fā)電效率

• SiC器件可以實(shí)現(xiàn)高耐壓下的低導(dǎo)通阻抗，高速開關(guān)特性優(yōu)異。

• Si器件替換到SiC器件，轉(zhuǎn)換效率會提升，對提高發(fā)電量有貢獻(xiàn)。

2、實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備小型化

降低功耗　→　小型化

• 通過降低功耗，減少發(fā)熱，省去散熱風(fēng)扇，減小散熱板尺寸

  
  

高頻率化　→　小型化

• 通過提高頻率，能減小線圈的感抗，能降低線圈匝數(shù)，磁芯的尺寸，使變壓器尺寸變小。

實(shí)現(xiàn)彎道超車

2大路徑市場空間

1、SiC功率器件下游應(yīng)用廣泛，市場快速放量。

得益于優(yōu)異的能源轉(zhuǎn)換效率，碳化硅功率器件在電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、家電等領(lǐng)域 均有廣泛應(yīng)用前景。

根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)顯示，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從 2020年7.1億USD快速增長到2025年25.6億USD，年復(fù)合增長率36%，其中新能源車（主逆變器和充電機(jī)）、光伏及儲能系統(tǒng)貢獻(xiàn)了主要增量。光伏及儲能預(yù)計(jì)增長至 2025 年 4.58 億美元；此外軌道交通領(lǐng)域預(yù)計(jì)也會為功率器件市場貢獻(xiàn)超過 1 億美元的增量空間。

圖〡全球SiC功率器件市場規(guī)模

2、電動汽車將成為碳化硅功率器件的主要市場和爆發(fā)點(diǎn)

2025年電動汽車上碳化硅器件15.5億USD，占比達(dá)到61%。新能源車銷量持續(xù)提升，伴隨著各地政府補(bǔ)貼、退稅等政策扶持以及不斷改進(jìn)完善的充電基礎(chǔ)設(shè)施，全球新能源汽車的銷量和占比均在持續(xù)上升，2021 年新能源車銷售 650 萬輛，同比增長 109%，占比全球汽車銷售總量為 9%，預(yù)計(jì)到 2025 年，新能源汽車銷量將超過 2100 萬輛，其中，新能源汽車領(lǐng)域碳化硅滲透率有望超 20%。

而隨著新能源汽車銷量的增長和碳化硅功率器件對碳化硅晶圓的需求也在不斷提高，預(yù)計(jì)到 2025 年，全球電動車市場對 6 英寸碳化硅晶圓的需求將達(dá)到169萬片。

圖〡碳化硅襯底市場規(guī)模預(yù)測

結(jié)語：沃爾德實(shí)業(yè)認(rèn)為碳化硅向無碳社會轉(zhuǎn)型，有效利用有限的能源和資源的大環(huán)境下，碳化硅被推到了風(fēng)口浪尖，在各種能量轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場景中大顯身手。

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