碳化矽是一種無機物，化學式為 SiC，是用天然矽石、碳、木屑、工業鹽作基本合成原料，在一種特殊的電阻爐中加熱反應合成的。

碳化矽産業鍊

碳化矽産業鍊涉及多個複雜技術環節，包含碳化矽粉末、碳化矽晶錠、碳化矽襯底、碳化矽外延、碳化矽晶圓、碳化矽芯片和碳化矽器件封裝環節。

受制于材料端的制備難度大，良率低，産能小，目前産業鍊最重要的環節集中于襯底、外延部分，碳化矽材料的可靠性對最終器件的性能有着舉足輕重的意義。

碳化矽襯底

襯底制造是碳化矽産業鍊技術壁壘最高、價值量最大的環節，是新近發展的寬禁帶半導體的核心材料。

碳化矽的襯底可以按照電阻率分為導電型襯底和半絕緣型襯底，在導電型襯底上生長 SiC 襯底制作的功率器件可以應用在新能源汽車、電網、光伏逆變器、軌道交通等高壓工作場景。在半絕緣型襯底上生長 GaN 外延制作的微波射頻器件主要應用在射頻開關、功率放大器、濾波器等通訊場景，可以滿足 5G 通訊對高頻性能和高功率處理性能的要求。

碳化矽外延

碳化矽外延片，是指在碳化矽襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化矽片。

外延工藝是整個産業中的一種非常關鍵的工藝，由于現在所有的器件基本上都是在外延上實現，所以外延的質量對器件的性能影響是非常大的，但是外延的質量它又受到晶體和襯底加工的影響，處在一個産業的中間環節，對産業的發展起到非常關鍵的作用。

碳化矽器件

功率器件是電力電子行業的重要基礎元器件之一，廣泛應用于電力設備的電能轉化和電路控制等領域。

作為用電裝備和系統中的核心，功率器件的作用是實現對電能的處理、轉換和控制，管理着全球超過50% 的電能資源，廣泛用于智能電網、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發、工業電機、數據中心、家用電器、移動電子設備等國家經濟與國民生活的方方面面，是工業體系中不可或缺的核心半導體産品。

碳化矽在新能源汽車領域的應用

碳化矽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。Yole 數據顯示，到 2025 年，全球電力電子領域碳化矽市場規模将超過 30 億美元，較 2020 年的 7 億美元 CAGR 超過 37%。

具體到汽車應用領域，碳化矽應用于新能源車，可以降低損耗、減小模塊體積重量、提升續航能力。新能源汽車技術的發展，對功率器件提出了高效、高功率、高功率密度的要求，受益于新能源汽車的放量，SiC 器件的市場份額在新能源汽車領域将會迎來爆發增長。

2015年，汽車巨頭豐田就展示了全碳化矽模組的PCU。相比之下，碳化矽PCU僅為傳統矽PCU的體積的1/5，重量減輕35%，電力損耗從20%降低到5%。

碳化矽 PCU 和矽 PCU的對比

碳化矽器件的高頻高溫高效特性完美契合車載器件的需求。碳化矽在電動汽車中的應用分為主驅動器，充電系統以及 DCDC 電源。

特斯拉 Model 3 率先采用 SiC，開啟了電動汽車使用 SiC 先河，2020 年比亞迪漢也采用了 SiC 模塊，有效提升了加速性能、功率及續航能力。

第三代半導體材料，蘊藏巨大潛力

碳化矽屬于寬禁帶半導體材料，又稱為第三代半導體材料。

第一代半導體材料主要是指矽（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料，應用極為普遍，包括集成電路、電子信息網絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、矽光伏産業中都得到了極為廣泛的應用。

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化镓（GaAs）、銻化铟（InSb），主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合達到其性能的極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導體材料 SiC（寬禁帶）應運而生。

第三代半導體主要是 SiC 和 GaN，與第一二代半導體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率等性能優勢，所以又叫寬禁帶半導體材料，特别适用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。

碳化矽器件的性能優勢

● 更大的禁帶寬度，耐受更高溫度。禁帶寬度的大小決定電子從價帶跳到導帶的難易，決定器件的耐壓值、工作溫度及導通損耗。更大的禁帶寬度，可以保證材料在高溫高壓下，電子不易發生躍遷，本征激發弱，從而可以耐受更高的工作溫度和電壓以及更低的導通損耗。

● 更高的擊穿電場，耐受更高電壓。臨界擊穿場強是指材料發生電擊穿的電場強度，一旦超過該數值，材料将失去絕緣性能，進而決定了材料的耐壓性能。材料在相同耐壓值下導通損耗更小，所以發熱更少，結構可以更加簡化。

● 更高的熱導率，散熱更優。溫度是影響器件壽命的主要原因之一，熱導率代表了材料的導熱能力，碳化矽的高熱導率可以有效傳導熱量，降低器件溫度，維持其正常工作，這使得冷卻系統可以得到更好的優化。

● 更大的電子飽和漂移速率，具有高頻特性。電子飽和漂移速率指電子在半導體材料中的最大定向移動速度，該數值的高低決定了器件的開關頻率。碳化矽的電子飽和漂移速率是矽的兩倍，有助于提高工作頻率，将器件小型化。

正在崛起的第三代半導體材料

以 SiC 等為代表的第三代半導體材料，将被廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域，以其優異的半導體性能在各個現代工業領域發揮重要作用，應用前景和市場潛力巨大。

碳化矽晶片應用為節能減排和新能源領域帶來巨大變革，碳化矽晶片經外延生長後主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。以碳化矽晶片為襯底制造的半導體器件具備高功率、耐高壓、耐高溫、高頻、低能耗、抗輻射能力強等優點，可廣泛應用于新能源汽車、5G通訊、光伏發電、軌道交通、智能電網等現代工業領域，在我國“新基建”的各主要領域中發揮重要作用。

作為第三代半導體的代表材料，碳化矽市場發展迅速。據市場調研公司IHS Automotive的數據，2017年的碳化矽市場總量為3.99億美元，而在2023年将會達到16.44億美元，年複合增長率達到26.6%。其中，發展最大的是新能源汽車領域，年複合增長率達到了驚人的81.4%。

第三代半導體材料迎來爆發，碳化矽氮化镓站上了最強風口，是目前商業前景最明朗的半導體材料，堪稱半導體産業内新一代“黃金賽道”。碳化矽量産後将打破國外壟斷，成為國産芯片新突破點。

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