中國粉體網(wǎng)訊 2016年至今，中央和地方政府對(duì)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)給予了高度重視，出臺(tái)了多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展扶持政策。國務(wù)院及工信部、國家發(fā)改委等部門先后在產(chǎn)業(yè)發(fā)展、營商環(huán)境、示范應(yīng)用等方面出臺(tái)政策，支持我國碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
產(chǎn)研界，場面更是熱鬧，在技術(shù)上國產(chǎn)碳化硅不斷加大投入并取得突破，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅猛崛起，甚至出現(xiàn)了“瘋狂擴(kuò)產(chǎn)”的局面，且趨勢(shì)未見放緩。多家實(shí)力廠商已躍居國際舞臺(tái)，與國際巨頭展開了正面交鋒。另外，投資界也不遑多讓。
我們，為何“死磕”碳化硅？底氣何在？
碳化硅襯底，來源：山西爍科
01.碳化硅是個(gè)好東西
一直以來，硅是制造半導(dǎo)體芯片最常用的材料，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。究其原因，是硅的儲(chǔ)備量大，成本比較低，并且制備比較簡單。然而，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用卻受阻，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足新能源車及高鐵等新興應(yīng)用對(duì)器件高功率及高頻性能的需求。
Si、SiC材料特性對(duì)比
與硅相比，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性，如：
更強(qiáng)的高壓特性。碳化硅的擊穿電場強(qiáng)度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。
碳化硅耐壓特性優(yōu)異
更好的高溫特性。碳化硅相較硅擁有更高的熱導(dǎo)率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。
更低的能量損耗。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，大幅提高實(shí)際應(yīng)用的開關(guān)頻率。
碳化硅器件體積更小、節(jié)能性更好
這么棒的半導(dǎo)體材料，你不喜歡嗎？
尤其地，當(dāng)前我國正在經(jīng)歷“碳達(dá)峰”階段，并逐步過渡到“碳中和”時(shí)代。這是一個(gè)系統(tǒng)工程：一方面通過技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，如加大對(duì)以風(fēng)電、光伏為代表的新能源比例的利用；另一方面完成節(jié)能環(huán)保新技術(shù)、新設(shè)備和產(chǎn)品的突破與開發(fā)，提高能源使用效率。當(dāng)前我國大力發(fā)展的新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能等低碳新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)將會(huì)成為非常重要的市場領(lǐng)域，這其中，碳化硅功率半導(dǎo)體將扮演非常重要的角色。在實(shí)現(xiàn)“碳中和”的大背景下，碳化硅材料將成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。
02.“換道超車”的機(jī)會(huì)
在第一二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展上，我國起步時(shí)間慢于其他國家，目前仍落后于一些發(fā)達(dá)國家，且面臨很多不可控的制裁與控制隱患，“超車”難度很大。
于是，有一種聲音不斷傳來：“既然第一二代芯片被美國封鎖或本身存在巨大的不確定性，不如另覓新徑向第三代芯片進(jìn)發(fā)，至少在其他能追趕上國際水平的領(lǐng)域先追上，并大量地?cái)U(kuò)大生產(chǎn)，盡量做到自給率越高越好。”
而且，在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域、國內(nèi)廠商起步與國外廠商相差不多。5G基站建設(shè)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等“新基建”建設(shè)力度的加快，以及在新能源汽車、光伏、儲(chǔ)能等需求帶動(dòng)下，對(duì)半導(dǎo)體器件性能提出更高要求，整個(gè)產(chǎn)業(yè)會(huì)進(jìn)入高速成長期。
因此，在這條全新跑道上，我國有希望實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的追趕，完成國產(chǎn)替代，也就是人們常常提到的“換道超車”概念。
03.一片沃土
前面我們說到，無論是政府、產(chǎn)研界，還是投資界都對(duì)碳化硅有著極大的熱情，除了碳化硅半導(dǎo)體本身的優(yōu)異性能以及戰(zhàn)略價(jià)值以外，中國敢“死磕”碳化硅的主要原因還是市場。
從市場環(huán)境來看，國內(nèi)碳化硅等第三代半導(dǎo)體可以說擁有一片沃土。我們知道，碳化硅半導(dǎo)體主要面向新能源汽車、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，尤其是新能源汽車，龐大的市場消納能力才是讓政府支持，讓資本敢投錢，讓企業(yè)敢擴(kuò)產(chǎn)的最大底氣。
（1）新能源汽車
新能源汽車行業(yè)是市場空間巨大的新興市場，全球范圍內(nèi)新能源車的普及趨勢(shì)逐步清晰化。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價(jià)值約700美元到1000美元。此外，碳化硅器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，還可以減小充電樁體積，提高充電速度。隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長點(diǎn)。
2021年，我國新能源汽車市場進(jìn)入市場驅(qū)動(dòng)的高速成長期。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年，我國新能源汽車總體產(chǎn)銷量分別為354.50萬輛和352.10萬輛，比上年同期分別增長159.52%和157.57%，滲透率達(dá)到13.49%，越過10%分界線。2022年，我國新能源汽車總體產(chǎn)銷量分別為705.8萬輛和688.7萬輛，比上年同期分別增長96.9%和93.4%，滲透率達(dá)到25.6%。2023年，我國新能源汽車總體產(chǎn)銷量分別為958.7萬輛和949.5萬輛，比上年同期分別增長35.8%和37.9%，滲透率達(dá)到31.6%。
2013-2023年中國新能源汽車銷量（萬輛）及增長率
2015-2023年中國新能源汽車市場滲透率
根據(jù)國家工信部于2020年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，至2025年我國混合動(dòng)力汽車占傳統(tǒng)汽車總銷量的比重達(dá)到50%以上，電動(dòng)汽車占全部汽車總銷量的比重達(dá)到20%左右，至2035年混合動(dòng)力汽車占傳統(tǒng)汽車總銷量的100%，電動(dòng)汽車占全部汽車總銷量的比重達(dá)到50%以上。由上可知，我國新能源汽車將迎來廣闊的發(fā)展空間。
這里將是碳化硅半導(dǎo)體應(yīng)用中最大的一塊土地。
（2）光伏發(fā)電
在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢(shì)。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)逐漸替代硅基器件。
光伏逆變器中碳化硅功率器件占比預(yù)測
據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)(CPIA)的預(yù)測，到2025年，全球新增光伏裝機(jī)容量保守估計(jì)為270GW，樂觀估計(jì)將達(dá)到330GW，年復(fù)合增速超過20%。
我們知道，中國已經(jīng)是光伏產(chǎn)業(yè)中規(guī)模最大的國家，在這中國占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位的行業(yè)，在中國，碳化硅將“逐光”而行。
小結(jié)
除了新能源汽車及光伏外，碳化硅功率器件在軌道交通、智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)電源、航空航天等領(lǐng)域也已實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用。盡管自去年國內(nèi)出現(xiàn)了一波大范圍擴(kuò)產(chǎn)引起行業(yè)人士對(duì)“產(chǎn)能過剩的擔(dān)憂，”以及價(jià)格驟降等問題，而天岳先進(jìn)董事長宗艷民認(rèn)為，價(jià)格下降有助于下游應(yīng)用的擴(kuò)展，推動(dòng)碳化硅更加廣闊的滲透應(yīng)用。尤其伴隨我國新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場在發(fā)展，供應(yīng)鏈就在發(fā)展，碳化硅市場就會(huì)越來越大。
參考來源：
[1]換道超車！第三代半導(dǎo)體加速爆發(fā)多地加大產(chǎn)業(yè)投資布局.中國科技信息
[2]粉體大數(shù)據(jù)研究、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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