功(gong)率(lv)半导体(ti)（又(you)称(cheng)电(dian)力电子(zi)器件(jian)）用(yong)于(yu)电能转换(huan)、控制电流(liu)控(kong)制(zhi)，是(shi)电(dian)力(li)电子系统的(de)关(guan)键部件，应(ying)用(yong)于电(dian)源、电机控(kong)制、可(ke)再生(sheng)能(neng)源、电力(li)传输(shu)、动力牵(qian)引(yin)等输(shu)变电和用(yong)电场(chang)景(jing)。

2019年，全(quan)球(qiu)功率器(qi)件(jian)市(shi)场(chang)规(gui)模约(yue)为400亿(yi)美元，过(guo)去(qu)5年平均复合(he)增长率5.1%。其(qi)中，中(zhong)国是(shi)最大的(de)市场，占(zhan)比近(jin)40%。

功(gong)率(lv)器(qi)件使用(yong)的(de)半(ban)导(dao)体材(cai)料分(fen)为(wei)三代(dai)：

第(di)一代半(ban)导(dao)体材料(liao)为硅(gui)（Si）、锗（Ge）等(deng)单(dan)质(zhi)材料。由于(yu)工艺(yi)成熟及生(sheng)产(chan)成(cheng)本低，硅占据95%以(yi)上(shang)的半(ban)导体(ti)器(qi)件，是(shi)当今(jin)半导(dao)体材料(liao)的主体(ti)；

第(di)二(er)代半导体(ti)材(cai)料(liao)为(wei)砷化(hua)镓(jia)(GaAs)等(deng)化(hua)合物材(cai)料。砷化(hua)镓(jia)半导体的电子迁(qian)移率(lv)高、禁(jin)带宽度比(bi)硅大，具备高耐压(ya)、高频率(lv)等优势(shi)，但(dan)也有机械强(qiang)度弱(ruo)、高(gao)温(wen)下易分解、生长(zhang)速(su)度(du)慢、价格(ge)昂贵等(deng)劣势(shi)，目(mu)前主要应(ying)用(yong)于(yu)LED等(deng)光电(dian)子领(ling)域；

第(di)三代(dai)半(ban)导体(ti)材(cai)料(liao)为(wei)碳化硅(gui)(SiC)、氮(dan)化(hua)镓(jia)(GaN)等(deng)宽(kuan)禁(jin)带材(cai)料(liao)。

提高(gao)能(neng)源(yuan)利(li)用效率(lv)（减(jian)少(shao)能(neng)量消耗和损(sun)耗(hao)）是功率(lv)半(ban)导体(ti)技(ji)术(shu)进(jin)步的(de)主(zhu)要方(fang)向。理(li)想(xiang)目标是(shi)，功率半导(dao)体(ti)在(zai)导通(tong)状态(tai)下没有任(ren)何功率(lv)消耗(hao)，在关(guan)断(duan)状(zhuang)态(tai)下(xia)也(ye)没有(you)漏电流(liu)。现今，根(gen)据IEA的报告(gao)，世(shi)界(jie)电能(neng)损(sun)耗(hao)占总(zong)电能量的(de)20%，无论从(cong)经(jing)济效益还是(shi)环(huan)境(jing)保护(hu)的角(jiao)度来看，都(dou)是极大的(de)浪费(fei)。然而(er)，以(yi)传统(tong)硅材料制作的(de)功(gong)率半导(dao)体器(qi)件，电能(neng)变(bian)换效率(lv)已达理(li)论极限。

以(yi)碳(tan)化硅、氮化镓(jia)为代(dai)表的(de)第(di)三代(dai)半导(dao)体材料应(ying)用而(er)生，已成(cheng)为(wei)功(gong)率(lv)半(ban)导体(ti)下一(yi)代技(ji)术(shu)演(yan)进方(fang)向(xiang)。根(gen)据中国第(di)三(san)代(dai)半(ban)导体产业(ye)技术(shu)创(chuang)新战(zhan)略联(lian)盟(meng)，第三(san)代半(ban)导(dao)体(ti)材料的性(xing)能(neng)优势包括：高电子漂移速度，可减少(shao)电(dian)能(neng)转(zhuan)换(huan)功耗，提(ti)高能源(yuan)利(li)用效率；禁(jin)带宽度(du)高(gao)，临(lin)界(jie)击穿电压(ya)大(da)，减少高(gao)压运(yun)行(xing)条(tiao)件(jian)系统(tong)所(suo)需(xu)器件(jian)数量(liang)，促进系(xi)统(tong)小(xiao)型化、轻(qing)量(liang)化(hua)；高热(re)导率(lv)，减(jian)少所(suo)需冷(leng)却系统(tong)。

与氮化镓相比(bi)，碳化(hua)硅(gui)更(geng)适合在(zai)1,000V以上(shang)的(de)电力(li)系统(tong)中(zhong)应(ying)用，包括电动汽车、充电(dian)桩、新能(neng)源发电装置(zhi)、高铁动(dong)力牵引等(deng)中(zhong)高压(ya)场景。氮(dan)化镓(jia)器件使(shi)用硅(gui)材料(liao)衬底(di)的(de)技术成(cheng)熟(shu)后(hou)，相(xiang)对(dui)使用同(tong)质(zhi)衬(chen)底(di)的碳化硅(gui)器件(jian)，更具成(cheng)本优(you)势(shi)。未(wei)来在(zai)中(zhong)低压(ya)场(chang)景，碳(tan)化(hua)硅与氮化镓材(cai)料(liao)制(zhi)作的(de)器件会有(you)所(suo)竞(jing)争。

目前，碳化(hua)硅(gui)器件主(zhu)要用于(yu)电源(yuan)供(gong)应(ying)和(he)光(guang)伏逆变(bian)器，以(yi)及(ji)有(you)限的(de)电(dian)动(dong)汽(qi)车行(xing)业(ye)应用(yong)。主要(yao)潜(qian)在(zai)应(ying)用(yong)市(shi)场(chang)尚未(wei)打(da)开(kai)。

2017-2019年间(jian)，全(quan)球碳(tan)化硅功(gong)率(lv)器件(jian)市(shi)场平(ping)均(jun)复(fu)合增长率(lv)39.7%，2019年市场规模(mo)为5.07亿美(mei)元，市场渗(shen)透(tou)率仍(reng)仅(jin)1.27%，尖(jian)角初露。

02

未(wei)来增长(zhang)潜(qian)力：新(xin)能源汽车应用需求的(de)攀升(sheng)将推动(dong)碳(tan)化硅(gui)器件(jian)市(shi)场增长

各(ge)方(fang)渠(qu)道的公(gong)开(kai)信(xin)息都(dou)对(dui)碳化硅器(qi)件(jian)市场(chang)增长(zhang)较(jiao)为(wei)乐观。据估计，2025年，全球碳化硅器件(jian)市场将(jiang)超(chao)过(guo)30亿美(mei)元，未(wei)来5年(nian)平均复合(he)增(zeng)长(zhang)率(lv)高达34.5%，此后继(ji)续(xu)保持增(zeng)长(zhang)。

从增长(zhang)来源/下(xia)游(you)需(xu)求(qiu)端来看(kan)，可预见的(de)未(wei)来(lai)内(nei)，新能(neng)源(yuan)汽(qi)车（包括(kuo)配套(tao)充(chong)电(dian)桩）将是碳化硅(gui)器件(jian)最(zui)大(da)的(de)应用(yong)场(chang)景，占(zhan)总(zong)需(xu)求至(zhi)少50%，增长速度远(yuan)超(chao)其(qi)他市场(chang).

细分(fen)来(lai)看(kan)，目(mu)前(qian)，碳化硅(gui)器(qi)件在(zai)电动(dong)汽(qi)车上(shang)主(zhu)要(yao)用于OBC车载充(chong)电器和DC-DC转换器，有助于提高汽(qi)车(che)充(chong)电速度(du)。2018年(nian)底，全(quan)球已有超(chao)过20家汽(qi)车厂(chang)商(shang)在OBC中(zhong)使用(yong)碳(tan)化(hua)硅(gui)器件。然而，其(qi)市场价(jia)值(zhi)空间(jian)较为有(you)限。

在(zai)电(dian)动(dong)汽车的(de)驱(qu)动(dong)电机(ji)/逆变(bian)器(qi)（即其动(dong)力(li)系统(tong)）上应(ying)用(yong)碳化硅器(qi)件(jian)，可(ke)显著提(ti)升(sheng)行驶里程(cheng)，潜在(zai)应(ying)用规模(mo)远(yuan)大(da)于(yu)其他(ta)应(ying)用(yong)。将碳(tan)化(hua)硅器(qi)件用于驱(qu)动(dong)电机(ji)，既可(ke)降(jiang)低电能损(sun)耗(hao)、提(ti)高电力(li)可(ke)控性(xing)，也(ye)可(ke)使(shi)设备(bei)体积(ji)更(geng)小(xiao)（减(jian)少约(yue)50%）、重量(liang)更轻(qing)，从(cong)而使汽(qi)车行驶(shi)里(li)程增加5~10%，或相应(ying)降(jiang)低(di)5%~10%的电(dian)池成(cheng)本(ben)（约(yue)合每(mei)辆(liang)车(che)200-600美(mei)元）。再(zai)者，使用(yong)碳化(hua)硅器件(jian)还可(ke)缩(suo)减制冷(leng)系(xi)统(tong)成(cheng)本、延(yan)长(zhang)动(dong)力(li)电池(chi)使用寿(shou)命，可(ke)谓有(you)利无害(hai)。粗(cu)略(lve)估计，每(mei)辆电动车驱(qu)动(dong)电机上(shang)使用的碳(tan)化(hua)硅(gui)器(qi)件潜(qian)在(zai)价值金额或(huo)超现有(you)应用价值(zhi)的(de)10倍以(yi)上(shang)。

驱动(dong)电机的碳(tan)化(hua)硅器(qi)件(jian)应(ying)用趋势(shi)已(yi)明确。目前(qian)，多数车(che)企都(dou)打(da)算在(zai)未来几(ji)年在(zai)主(zhu)逆变(bian)器(qi)中使用(yong)碳(tan)化硅(gui)器(qi)件。出于成本因(yin)素，碳(tan)化硅器(qi)件(jian)首先(xian)配(pei)置(zhi)于(yu)高(gao)端电(dian)动车，特(te)斯拉(la)是(shi)碳(tan)化硅器(qi)件(jian)应(ying)用先(xian)驱(qu)，其Model3驱动电机(ji)搭载(zai)了24个650V/100A碳化(hua)硅(gui)MOSFET模块。比(bi)亚迪(di)在(zai)2020年新推(tui)出(chu)的汉(han)（高(gao)性能版(ban)）使(shi)用(yong)碳(tan)化硅(gui)MOSFET电(dian)机(ji)控(kong)制(zhi)模(mo)块。国外(wai)零部(bu)件(jian)供应商(shang)博(bo)世、采(cai)埃孚(fu)、德尔福(fu)亦(yi)皆(jie)推出了碳(tan)化硅(gui)电驱动系(xi)统(tong)研(yan)发计(ji)划(hua)。此(ci)外(wai)，电(dian)力(li)系统(tong)电(dian)压的(de)提(ti)升意(yi)味着充电(dian)速(su)度加(jia)快(kuai)，以保时捷Taycan为(wei)始(shi)，随(sui)着高端电(dian)动(dong)汽(qi)车电池包电(dian)压平(ping)台(tai)从400v升(sheng)级到800v，碳(tan)化(hua)硅模(mo)块(kuai)的需(xu)求(qiu)将从(cong)650v转(zhuan)移至(zhi)1200v。

此(ci)外，碳(tan)化硅器(qi)件(jian)在(zai)充(chong)电桩(zhuang)市场的应(ying)用亦将(jiang)快速增长(zhang)。新(xin)能源汽(qi)车(che)的(de)普及(ji)将带(dai)动充电(dian)桩(zhuang)建设需求(qiu)，目(mu)前(qian)国内(nei)外(wai)缺(que)口很大(da)。由于其性(xing)能优(you)势，碳化硅器件在(zai)大功(gong)率直(zhi)流(liu)（快充(chong)）充电(dian)桩的(de)应用较多。

新(xin)能(neng)源汽(qi)车(che)之外(wai)，针对(dui)轨道(dao)交(jiao)通(tong)、特(te)高(gao)压(ya)电(dian)网等特定(ding)需(xu)求的高耐(nai)压(ya)器(qi)件目前(qian)还(hai)在开发(fa)阶(jie)段(duan)，预计在2025年(nian)以后(hou)存(cun)在商(shang)用(yong)可能(neng)。

不过(guo)，由于碳化(hua)硅的(de)工艺(yi)比(bi)硅(gui)更(geng)复(fu)杂，附(fu)加(jia)值(zhi)更高(gao)，下游客户(hu)主(zhu)要(yao)将其(qi)用于(yu)高效益(yi)比的应(ying)用(yong)中(zhong)，预计不会(hui)取代硅(gui)在(zai)低(di)端(duan)领域(yu)的(de)应用(yong)。

03

技(ji)术(shu)发(fa)展(zhan)趋(qu)势(shi)：行(xing)业(ye)正在破(po)除(chu)高(gao)成本(ben)、低(di)技术成(cheng)熟度(du)两大(da)发(fa)展(zhan)屏(ping)障(zhang)

如上(shang)所(suo)述(shu)，碳(tan)化硅(gui)器件性能优(you)势(shi)突出(chu)、应用场(chang)景明(ming)确(que)、又(you)有产(chan)业(ye)链上(shang)下(xia)游龙(long)头(tou)企业(ye)积极(ji)投入，可(ke)目前市(shi)场(chang)渗(shen)透(tou)率仍(reng)低。究其(qi)原(yuan)因，即(ji)为(wei)受制(zhi)于高(gao)制造成(cheng)本(ben)、低(di)技(ji)术成熟度(du)两大屏(ping)障。破此(ci)二(er)障(zhang)，是技术发展方(fang)向的核心(xin)。碳(tan)化(hua)硅器(qi)件制造(zao)的(de)四(si)个(ge)环节（衬底(di)制(zhi)作(zuo)，外延制作、芯(xin)片(pian)制程、封(feng)装测(ce)试）各有发力。

1）碳(tan)化(hua)硅(gui)器(qi)件制造(zao)成(cheng)本(ben)高昂(ang)。目前碳化(hua)硅(gui)二极管、MOSFET的成本大(da)概是(shi)同类(lei)硅(gui)产品的2-3倍(bei)、5-10倍，而(er)下游客户(hu)认(ren)为大规模应(ying)用碳(tan)化硅(gui)器(qi)件的普(pu)遍(bian)价(jia)格区(qu)间应(ying)是同(tong)类硅(gui)器(qi)件1.5倍左(zuo)右(you)。成本高企(qi)的(de)主要(yao)因素(su)是(shi)原材(cai)料价格(ge)高，尤其(qi)是占(zhan)标(biao)准碳(tan)化硅器件成本(ben)50%的衬底晶(jing)圆(yuan)。

碳化硅(gui)原材料(liao)的特性(xing)决(jue)定了(le)高于硅晶圆(yuan)的制备难(nan)度和(he)成本(ben)。制(zhi)备(bei)温(wen)度(du)方(fang)面(mian)，碳(tan)化(hua)硅衬底(di)需要在2500度高温设(she)备(bei)下进行(xing)生(sheng)产，而硅(gui)晶(jing)只(zhi)需1500度；生产(chan)周期(qi)方面(mian)，碳(tan)化硅(gui)晶圆(yuan)约(yue)需(xu)要(yao)7至10天，而硅晶棒只需(xu)要2天半；商业(ye)化晶(jing)圆尺寸方(fang)面，目(mu)前碳化(hua)硅晶圆(yuan)主(zhu)要(yao)是(shi)4英(ying)寸(cun)与(yu)6英寸(cun)，而用于功(gong)率器(qi)件(jian)的(de)硅(gui)晶(jing)圆(yuan)以8英(ying)寸为主(zhu)，这(zhe)意(yi)味(wei)着碳(tan)化(hua)硅(gui)单(dan)晶片(pian)所产芯片(pian)数量(liang)较少(shao)、碳化硅(gui)芯(xin)片制(zhi)造(zao)成本较高(gao)。

技术(shu)演(yan)进(jin)方向(xiang)：衬底(di)方(fang)面，国外龙(long)头企业(ye)预计(ji)将(jiang)在(zai)2022年左右(you)开(kai)始(shi)批量生产8寸晶片(pian)；外延(yan)及(ji)器件(jian)方(fang)面，将(jiang)继(ji)续提(ti)高(gao)产(chan)能(neng)及制造(zao)良(liang)品(pin)率(lv)。

2）碳(tan)化(hua)硅产(chan)业(ye)发(fa)展(zhan)时间(jian)不长，有待更(geng)多应(ying)用(yong)验(yan)证。碳化硅(gui)不像(xiang)硅(gui)产业(ye)，已(yi)在几(ji)十(shi)年(nian)的研究(jiu)中(zhong)积累(lei)了一(yi)套(tao)很(hen)完整的数据(ju)。碳(tan)化硅的很多(duo)性能结论(lun)都是由(you)硅的性(xing)质(zhi)推导(dao)而(er)来，不(bu)少特性数据有(you)待进(jin)一步(bu)实(shi)证。

此外，碳化(hua)硅功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)产品(pin)组(zu)合(he)尚未完善(shan)。从整个功率(lv)半导(dao)体(ti)市场(chang)来(lai)看(kan)，功(gong)率(lv)器件(jian)种类多样(yang)，主(zhu)要包(bao)括二(er)极(ji)管(guan)、MOSFET、IGBT等，分别(bie)适(shi)用于不(bu)同(tong)的(de)领(ling)域。但是目前，碳(tan)化硅器(qi)件市(shi)场还以二极管为主，MOSFET尚未大(da)规模(mo)推(tui)广，IGBT仍在(zai)研(yan)发。碳(tan)化硅二极管主(zhu)要(yao)用于(yu)替代硅二极管，结构(gou)复杂(za)度较低，现(xian)已大(da)规(gui)模商用(yong)化(hua)，2019年碳化硅二极(ji)管的碳(tan)化(hua)硅器件市场(chang)占比(bi)达(da)到85%，可谓是(shi)目(mu)前最(zui)主(zhu)要的(de)碳(tan)化硅器(qi)件(jian)。碳(tan)化硅MOSFET可(ke)替(ti)代硅(gui)基(ji)IGBT，大规(gui)模应用(yong)仍受限于(yu)产(chan)品性(xing)能稳(wen)定性(xing)及(ji)器件(jian)成(cheng)熟性。碳(tan)化(hua)硅IGBT尚在研发，预(yu)计(ji)将在5-10年(nian)后(hou)才(cai)能看(kan)到(dao)相(xiang)关器件原型。

技(ji)术(shu)演(yan)进(jin)方(fang)向：器(qi)件方面，正在(zai)发(fa)展(zhan)3.3kv以(yi)上(shang)的高(gao)耐压(ya)器件(jian)、并(bing)引入沟槽(cao)式设计以提(ti)高(gao)器(qi)件性能(neng)和可靠(kao)性；封(feng)装(zhuang)方(fang)面(mian)，将优(you)化封(feng)装(zhuang)工艺(yi)以发(fa)挥(hui)碳化硅耐(nai)高(gao)温优势。

04

促进(jin)国(guo)内(nei)产业(ye)发(fa)展(zhan)的建(jian)议(yi) ：

加(jia)强(qiang)顶(ding)层设(she)计，制定规划(hua)、集中力量(liang)、发(fa)展技术(shu)、夯(hang)实(shi)基(ji)础(chu)

· 制(zhi)定战略规划、规划(hua)技(ji)术发展路线(xian)、探索(suo)可汇聚(ju)各方资(zi)源的(de)路(lu)径方法(fa)

· 调(diao)动(dong)政(zheng)府和资本，促进产(chan)业(ye)集群(qun)，集中(zhong)并(bing)优(you)化创(chuang)新资(zi)源(yuan)，集(ji)中(zhong)力(li)量以攻破(po)设(she)备、材(cai)料和器件上的(de)技(ji)术(shu)短(duan)板

· 加(jia)强(qiang)基(ji)础研究(jiu)、鼓励原始(shi)创新，为(wei)产(chan)业提(ti)供人才(cai)、技术(shu)、与创(chuang)意供(gong)给(gei)

完善(shan)产(chan)业(ye)链公共研发(fa)、服务、及生产(chan)应(ying)用等基(ji)础平(ping)台

· 建(jian)设(she)开(kai)放(fang)的(de)国家创(chuang)新(xin)技(ji)术中(zhong)心(xin)、国(guo)际化的(de)公(gong)共研(yan)发和服(fu)务(wu)平台(tai)，攻(gong)坚核心(xin)技术、丰富(fu)创新资(zi)源

· 建(jian)设测(ce)试验证(zheng)和(he)应(ying)用示(shi)范(fan)平(ping)台，完(wan)善产品(pin)测(ce)试(shi)流程、协助(zhu)企业创(chuang)新(xin)应(ying)用(yong)、加(jia)强(qiang)以(yi)应用(yong)为核(he)心(xin)的(de)体系(xi)化(hua)能力

完(wan)善产(chan)业(ye)生态环境(jing)，抓(zhua)住人才(cai)、技(ji)术(shu)、应用、国际合(he)作(zuo)等(deng)关(guan)键(jian)点(dian)

· 完善(shan)人才(cai)体系(xi)，培养(yang)创业创(chuang)新(xin)、工程技术(shu)等(deng)方(fang)面(mian)的(de)领军(jun)人(ren)才(cai)

· 建(jian)设(she)开(kai)放(fang)、有序的(de)技术(shu)标(biao)准体(ti)系(xi)，加强(qiang)专(zhuan)利运(yun)营(ying)，积极(ji)参与国(guo)际技(ji)术(shu)标准制(zhi)定

· 推(tui)动国(guo)际合作(zuo)，增加与(yu)国(guo)外产(chan)学(xue)研界的科(ke)研(yan)交流，并(bing)推动(dong)设(she)立(li)海外(wai)技术研(yan)发和创(chuang)新(xin)中(zhong)心