高壓快充上車趨勢加快，碳化硅成為絕佳選擇

在電動汽車發(fā)展的初期，400V電壓平臺是主流選擇。然而，隨著消費(fèi)者對續(xù)航里程和充電速度的需求不斷提升，高壓800V技術(shù)正在逐漸從幕后走到臺前，成為推動行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵力量。據(jù)蓋世汽車研究院統(tǒng)計(jì)，2024年1月，高壓800V車型滲透率達(dá)5.8%，包括比亞迪、小鵬、騰勢、極氪、方程豹等品牌都陸續(xù)推出了搭載800V高電壓平臺的車型，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，未來有望加速快充普及和向主流市場滲透。

800V電壓平臺帶來的是充電速度的提升，SiC器件應(yīng)用提高的是效率，兩者搭配應(yīng)用效果更佳。然而，SiC功率器件雖然有著耐壓程度高、開關(guān)損耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格也高。在成本壓力下，當(dāng)前碳化硅滲透率僅為11%，主要為特斯拉、比亞迪等B級以上的BEV車型采用，A00級仍以Si-Mosfet為主、A0和A級車以Si-IGBT為主。SiC功率器件滲透率雖然目前還處于較低水平，它所代表的技術(shù)趨勢和市場潛力卻是巨大的。

碳化硅較硅具備性能優(yōu)勢，有效滿足高壓平臺零件需求

作為第三代半導(dǎo)體材料的代表， SiC 具有大禁帶寬度、高擊穿電場強(qiáng)度、高飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)良特 性。SiC 的禁帶寬度（ 2.3-3.3eV）約是 Si 的 3 倍，擊穿電場強(qiáng)度（ 0.8 × 106/-3 × 106/） 約是 Si 的 10 倍，熱導(dǎo)率（ 490W/(m·K)）約是 Si 的 3.2 倍，可以滿足高溫、高功率、高壓、高頻等多種應(yīng)用場景。

與硅基半導(dǎo)體材料相比，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射能力等特點(diǎn)，適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

Si 材料中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約 2~2.5 次方的比例增加），因此 600V 以上的電壓中主要采用 IGBT。IGBT 通過電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比MOSFET 還要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在 Turn-off 時(shí)會產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗。

SiC 器件漂移層的阻抗比 Si 器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以 MOSFET 實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻抗，而且MOSFET 原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用 SiC-MOSFET 替代 IGBT 時(shí)，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實(shí)現(xiàn)散熱部件的小型化。另外， SiC-MOSFET 能夠在 IGBT 不能工作的高頻條件下驅(qū)動，從而也可以實(shí)現(xiàn)無源器件的小型化。與 600V~900V 的 Si-MOSFET 相比， SiC-MOSFET 的優(yōu)勢在于芯片面積小（可實(shí)現(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小，主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器電源、高效率功率調(diào)節(jié)器的逆變器或轉(zhuǎn)換器中。

以 80kW EV 為例， ST 測算了 SiC MOSFET 與 Si IGBT+二極管方案下的牽引逆變器功率損耗。歸因于 SiC 更優(yōu)的 FOM 參數(shù)性能， SiC MOSFET 在更高的結(jié)溫情況下?lián)p耗減少更多， 合計(jì)導(dǎo)通損耗后相比硅基方案減耗 40%。


增長動能涌現(xiàn)

產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境良好

全球碳化硅產(chǎn)業(yè)高速增長，國際大廠展望積極。英飛凌預(yù)計(jì)，2024財(cái)年其碳化硅業(yè)務(wù)收入將增長50%至7.5億歐元；安森美2023年碳化硅業(yè)務(wù)收入超8億美元，預(yù)計(jì)2024年全球碳化硅市場增速為20%-30%，而其將以市場增速的2倍增長；意法半導(dǎo)體2023年碳化硅業(yè)務(wù)收入達(dá)11.4億美元，預(yù)計(jì)其2025年碳化硅業(yè)務(wù)收入將突破20億美元。

林科闖表示，政府對新材料產(chǎn)業(yè)的大力支持，以及全球市場對高性能半導(dǎo)體材料的需求旺盛，為國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)提供了良好的發(fā)展環(huán)境。

憑借出色的材料特性，碳化硅正在國內(nèi)電力電子、射頻等下游應(yīng)用領(lǐng)域加速“出圈”，滲透率不斷走高。根據(jù)第三方市場研究公司Yole預(yù)測，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將從2022年的17.94億美元增至2028年的89.06億美元，年均復(fù)合增長率達(dá)31%。

新能源汽車市場的持續(xù)擴(kuò)大，以及800V高壓快充等新技術(shù)的推廣應(yīng)用，已成為驅(qū)動碳化硅產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的關(guān)鍵動能。“碳化硅功率器件及模塊可實(shí)現(xiàn)更快的充電速度、更長的續(xù)航里程以及更高的能效比。”林科闖說，相較于傳統(tǒng)硅基器件，碳化硅功率器件及模塊具有更高的飽和電子遷移率和擊穿電壓，這意味著碳化硅功率器件及模塊能在更高的電壓和電流下工作，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率。

在800V高壓狀態(tài)下,應(yīng)用碳化硅功率器件電驅(qū)比同等硅基IGBT器件電驅(qū)能效增長3%-5%，碳化硅可以在高頻狀態(tài)下穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)頻率（約為IGBT的5倍到10倍），開關(guān)損耗降低超75%；綜合續(xù)航里程提升6%-8%。目前，碳化硅功率器件及模塊在一輛電動汽車中的價(jià)值約為1500美元至2000美元，覆蓋主驅(qū)逆變器、電動壓縮機(jī)、車載充電機(jī)等應(yīng)用。

碳化硅功率器件及模塊正加速從高端產(chǎn)品向下滲透。“現(xiàn)在售價(jià)為20萬元以上的800V電動汽車，碳化硅功率器件滲透率約為一半，可以全驅(qū)配置，或只配置主驅(qū)。對于售價(jià)在20萬元以下的電動汽車，碳化硅功率器件滲透率快速提升，整車配置只是時(shí)間問題。”林科闖說，產(chǎn)品的加速應(yīng)用將帶來規(guī)模效應(yīng)，形成成本降低、售價(jià)降低、應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大的良性循環(huán)。

在光伏、儲能等可再生能源領(lǐng)域，碳化硅也正大展拳腳。業(yè)內(nèi)人士表示，光伏設(shè)備的技術(shù)趨勢是提高功率，減小體積與重量，提高穩(wěn)定性。從單品看，碳化硅功率器件比硅基器件要貴2倍-3倍。但從系統(tǒng)角度看，碳化硅功率器件的應(yīng)用使得散熱器、電容電感等被動器件減小，而碳化硅功率器件低開關(guān)損耗、高頻、高壓工作的特性，也對逆變器實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行提供了更強(qiáng)保障。


關(guān)注產(chǎn)業(yè)降本節(jié)奏，襯底降本快于器件

從產(chǎn)業(yè)鏈成本構(gòu)成來看，襯底降本快于器件。碳化硅的成本直接決定了滲透率，影響市場規(guī)模，因此需要密切關(guān)注產(chǎn)業(yè)降本節(jié)奏。襯底占碳化硅成本的比例高達(dá)47%，其次是外延，再其次是后道等環(huán)節(jié)，我們判斷襯底降本快于器件。 襯底的降本面對諸多技術(shù)難點(diǎn)，包括襯底生長“慢”、加工“難”、缺陷密度去除工藝壁壘“高”。碳化硅器件降本的技術(shù)路徑，從市場上的動態(tài)來看，主要包括擴(kuò)大晶圓尺寸、改進(jìn)碳化硅長晶及加工工藝以提高良率。碳化硅襯底制造工藝復(fù)雜技術(shù)壁壘高，生長速度“慢”。碳化硅襯底的制造對溫度和壓力的控制要求極高，碳化硅襯底的生長過程在 2300℃以上高溫和接近真空的低壓密閉高溫石墨坩堝中進(jìn)行（硅材料只需要 1600 攝氏度），無法即使觀察晶體的生長狀況，隨著尺寸擴(kuò)大，其生長難度呈幾何式增長，溫度和壓力的控制稍有失誤，就有可能導(dǎo)致碳化硅材料的微管密度、錯位密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等一系列參數(shù)出現(xiàn)差錯，產(chǎn)生異質(zhì)晶型，影響良率；長晶速度非常慢，傳統(tǒng)的硅材料只需 3 天就可以長成一根晶棒，而碳化硅晶棒需要7天，這就導(dǎo)致碳化硅生產(chǎn)效率天然地更低，產(chǎn)出非常受限；此外，晶型要求高、良率低，只有少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才可作為半導(dǎo)體材料。

此外，碳化硅襯底加工“難”，晶棒切割、研磨拋光等后端工藝也面臨較大困難。碳化硅性質(zhì)偏硬、脆，斷裂韌性較低，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大，工藝水平的提高需要長期的研發(fā)積累，也需要上游設(shè)備商特殊設(shè)備的配套開發(fā)。目前碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié)、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片；研磨拋光時(shí)容易開裂或留下?lián)p傷，這要求在切割襯底的時(shí)候需要預(yù)留更多的研磨拋損耗，這進(jìn)一步降低了晶錠的出片率，同時(shí)也影響了整體的生產(chǎn)良率。全球碳化硅制造加工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市場的發(fā)展，要充分實(shí)現(xiàn)碳化硅襯底的優(yōu)異性能，開發(fā)提高碳化硅晶片加工技術(shù)是關(guān)鍵所在。

碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘“高”。碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長過程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯、層錯等缺陷，其可靠性備受關(guān)注。在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長、同時(shí)控制微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等參數(shù)指標(biāo)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及一系列高難度工藝調(diào)控，工藝壁壘高。正是因?yàn)檫@些技術(shù)難點(diǎn)造成了成本問題，成為碳化硅器件規(guī)模化應(yīng)用的難題。目前，降本的主要途徑包括擴(kuò)大晶圓尺寸、改進(jìn)碳化硅長晶及加工工藝以提高良率等。

擴(kuò)大晶圓尺寸是降低成本的有效手段，6 英寸是目前主流，8 英寸是未來方向。襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低；襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。根據(jù) Wolfspeed，從6 寸轉(zhuǎn)向8 寸晶圓，碳化硅芯片數(shù)量（32mm2）有望從 448 顆增加到 845 顆，在良率為 80%、60%水平下，有效產(chǎn)出顆數(shù)分別為 358、507 顆，若假設(shè)單車使用同樣規(guī)格的芯片 54 顆（48 顆主逆+6 顆OBC），則一片晶圓理論可供 6.6、9.5 臺車，效率得到顯著提升。根據(jù) GTAT 公司的預(yù)估，相對于6寸晶圓平臺，預(yù)計(jì) 8 寸襯底的引入將使整體碳化硅器件成本降低 20-35%。而且，6 寸SiC晶體厚度為350微米，而最初投放市場的 8 寸 SiC 襯底厚度為 500 微米。盡管晶體成本會略微上漲，但是由于更厚的晶體可以切出更多的襯底片，預(yù)計(jì)也有望進(jìn)一步降低器件生產(chǎn)成本。目前導(dǎo)電型碳化硅襯底以 6 英寸為主，8 英寸襯底開始發(fā)展；半絕緣碳化硅襯底以4 英寸為主，目前逐漸向6英寸襯底發(fā)展。隨著尺寸的增大，碳化硅單晶擴(kuò)徑技術(shù)的要求越來越高。擴(kuò)徑技術(shù)需要綜合考慮熱場設(shè)計(jì)、擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、晶體制備工藝設(shè)計(jì)等多方面的技術(shù)控制要素，最終實(shí)現(xiàn)晶體迭代擴(kuò)徑生長，從而獲得直徑達(dá)標(biāo)的高質(zhì)量籽晶，繼而實(shí)現(xiàn)后續(xù)大尺寸籽晶的連續(xù)生長。這也是國產(chǎn)廠商需要著重突破的技術(shù)難點(diǎn)。

改進(jìn)碳化硅長晶及加工工藝以提高良率等也是降低成本的有效方式。目前國內(nèi)6英寸良率約 40-50%，海外約 60-70%，較低的良率使得有效產(chǎn)能減少從而成本增加。長晶慢、質(zhì)量低、大尺寸難度高、加工工藝不足帶來的損耗等方面都是造成良率降低的因素，目前頭部廠商正積極通過技術(shù)改進(jìn)來提升良率，如 2021 年 8 月 5 日，住友官網(wǎng)提到了他們利用一種所謂的MPZ技術(shù)，生長了高質(zhì)量、低成本的 SiC 襯底和 SiC 外延片，消除了表面缺陷和基面位錯(BPD)，無缺陷區(qū)（DFA）達(dá)到 99%，相比 PVT 法，SiC 長晶速度提高了5 倍左右，相比普通的LPE法速度提升了 200 倍。但目前國內(nèi)廠商的良率水平與海外廠商還存在一定差距。