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特斯拉率先尝到甜头的碳化硅为什么这么火

斯拉在2018年的Model 3 电驱主逆变器上,率先采用了意法半导体供应的650V SiC MOSFET器件,被视为碳化硅上车的风向标事件。


碳化硅SiC作为第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟,应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,目前在已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。


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图源自II-VI


碳化硅SiC是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗,因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。

一、 半导体核心材料演变史

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第一代半导体主要有硅和锗,广泛应用于集成电路等低压、低频、低功率场景;第二代半导体材料主要以砷化镓为代表,是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料。

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表,与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度,保证了其可击穿更高的电场强度,适合制备耐高压、高频的功率器件,是电动汽车、5G 基站、卫星等新兴领域的理想材料。

二、碳化硅市场火爆之处——材料特性优异

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图源自网络


碳化硅的禁带宽度大约为 3.2eV,硅的宽带宽度为 1.12eV,碳化硅的禁带宽度大约为硅的3倍数,这说明碳化硅的耐高压性能显著好于硅材料。此外,导热率为硅的4-5倍;电子饱和漂移速率为硅的2倍。这些特性将使得碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压,耐大电流的高频大功率的器件。

三、碳化硅应用热点

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图源自网络


在 SiC 器件的产业链中,主要价值量集中于上游碳化硅衬底,约占比 50%左右。碳化硅衬底根据电阻率划分:半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底。半绝缘型碳化硅衬底主要用于制造氮化镓微波射频器件,导电型碳化硅衬底广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。

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图源自网络


当前,电动汽车是拉动碳化硅持续火热的主要原因。至2018年,特斯拉采用SiC MOSFET器件之后,碳化硅器件上车便一发不可收拾,上升数量迅速攀升。碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长,受到消费市场的认可,一定程度上缓解里程焦虑问题。此外,随着碳化硅功率器件的生产成本降低,碳化硅在充电桩领域的应用也将逐步深入。

四、碳化硅半导体市场规模

据市调机构Yole的报告指出,碳化硅晶圆到2023年时市场规模可达15亿美金,年复合成长率逾31%;预计至2025年全球SiC功率器件市场规模为25.6亿美元,2019-2025年CAGR为30%。


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