碳化硅功率半导体器件

碳化硅功率半导体器件优势

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 功率器件的发展历史

SiC 器件相对于Si 器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

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 能大大降低功率转换中的开关损耗

SiC 更容易实现模块的小型化、更耐高温

碳化硅功率半导体器件相较于硅基功率器件优势

碳化硅功率半导体器件产业链

碳化硅功率半导体器件从上个世纪70年代开始研发，经过30年的积累，于2001年开始商用碳化硅SBD器件，之后于2010年开始商用碳化硅MOSFET器件，当前碳化硅IGBT器件还在研发当中。

碳化硅功率器件发展历程

资料来源：太平洋证券

碳化硅功率器件整个生产过程大致如下图所示，主要会分为碳化硅单晶生产、外延层生产、器件制造三大步骤，分别对应产业链的衬底、外延、器件和模组三大环节。

碳化硅功率器件生产过程

衬底方面：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。

外延方面：通常用PECVD法制造，目前国内部分公司已能提供4、6英寸碳化硅外延片，品质尚可，针对1700V及以下的器件用的外延片已比较成熟，但对于高质量厚外延的量产技术主要还是国外的Cree、昭和等少数企业具备。

器件方面：国际上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET已实现量产，国内目前MOSFET量产还有待突破，产线方面都在往6英寸线过渡，并且Cree已开始布局8英寸线，器件的价格走势上，目前的价格是硅器件的5-6倍，且以每年10%的速度下降，随着上游扩产的加剧以及应用的不断拓展，有望在2-3年后降到硅器件的2-3倍，从而带动系统层面的价格与传统方案持平或更低，在制程上，大部分设备与传统硅生产线相同，但由于碳化硅具有硬度高等特性，需要一些特殊的生产设备，如高温离子注入机、碳膜溅射仪、量产型高温退火炉等，其中是否具备高温离子注入机是衡量碳化硅生产线的一个重要标准。

目前整个产业链上主要有如下代表性企业，并且由于碳化硅分立功率器件的性能与材料、结构设计、制造工艺之间的关联性较强，同时为了加强成本的控制与工艺品控的改进，不少企业仍选择采用IDM模式，如Cree和Rohm甚至覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件设计与制造全产业链环节，其中Cree占据衬底市场约40%份额、器件市场约25%份额，并且Infineon、Cree、Rohm、ST四家合计占有全球器件市场近90%的份额，均为IDM模式。

碳化硅功率器件产业链主要企业

碳化硅功率半导体器件应用与规模

目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景，特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如电动汽车车载充电机与电驱系统、充电桩、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域，可取代部分硅基MOSFET与IGBT。

当前电动汽车的车载充电机市场已逐步采用碳化硅SDB，产品集中在1200V/10A、20A，每台车载充电机需要4-8颗碳化硅SBD，全球已有超20余家汽车厂商开始采用。

电动汽车的电驱系统，主要指功率控制单元PCU，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU使用硅基半导体制成，强电流与高压电穿过硅基功率器件时的电能损耗是电动力车最主要的电能损耗来源，而使用碳化硅SBD和MOSFET可降低10%的总能量损耗，同时可降低PCU 80%的体积，使得车辆更为紧凑轻巧。

因此碳化硅MOSFET取代硅基IGBT是电驱系统发展的必然趋势，预计该市场将在明年碳化硅MOSFET成熟可靠后全面启动。目前，特斯拉Model 3的电驱系统已采用了ST所提供的的碳化硅器件，丰田也将于2020年正式推出搭载碳化硅器件的电动汽车。