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作為第三代半導體的一員，近年來碳化硅（SiC）功率器件備受矚目且發展迅猛。中國是制造業大國，很多行業如新能源汽車、儲能、光伏和風力發電都需要大量的功率器件。在市場爆發的當下，一些中國企業已經布局碳化硅技術的研發和生產，并逐步實現進口替代。 清純半導體（寧波）有限公司是一家聚焦于碳化硅半導體領域的高科技芯片公司，由張清純先生于2021年3月創立。張清純曾在全球碳化硅行業的鼻祖Cree公司工作近13年，于2019年底全職回國，入職復旦大學，領銜建立上海碳化硅功率器件工程技術研究中心。在E維智庫第12屆中國硬科技產業鏈創新趨勢峰會暨百家媒體論壇上，清純半導體(寧波)有限公司市場經理詹旭標以“車載電驅及供電電源用SiC技術最新發展趨勢”為題介紹了SiC上車這一行業共識，SiC產業和技術現狀，以及國內SiC器件技術進展及發展趨勢。 SiC上車 詹旭標介紹說，中國新能源汽車的興起是SiC上車的重大機遇。數據顯示，目前中國新車市場的新能源汽車滲透率已經超過50%，且中國的新能源汽車產量已經超過全球產量的60%。他說，中國的新能源汽車產業很可能重走光伏產業的歷程，將來會主導整個全球市場。 自2017年特斯拉發布第一款基于SiC主驅的電動汽車后，比亞迪于2020年也發布了第一臺基于SiC主驅的汽車。在接下來的幾年內，各個主驅廠或者車廠紛紛投身于SiC平臺的研發。目前，主驅應用的主流器件是以1200V SiC MOSFET為主。 SiC器件給新能源汽車帶來諸多好處。第一是提升了新能源汽車的續航里程。得益于SiC MOSFET的低導通電阻、低開關損耗，與硅基IGBT方案相比，整個電機的控制器系統有望降低70%的損耗，從而能增加5%的行駛里程。第二是緩解了補能焦慮問題。SiC的應用使得充電功率得以大幅提升。預計在2025年，快充電樁可以做到15分鐘補電80%。 詹旭標說，充電樁是除新能源汽車主驅外最活躍的一個市場。目前我國的汽車充電樁保有量大約為900-1000萬個。按照規劃，2030年我國新能源汽車保有量要達到6000萬輛，同時車樁比要達到1：1，相當于在未來4至5年我們還要增加5000萬個充電樁。按照目前的設計，每個充電樁包含的SiC器件數量至少是8個以上。可見這是一個規模非常巨大的市場。 SiC產業和技術現狀 據市場調研共公司Yole預測，2025年全球 SiC 市場規模接近 60億 美元，年復合增長率預計為 36.7%。TrendForce數據顯示，2023年，SiC 器件市場被國外企業壟斷，頭部 5 家龍頭 企業（ST Micro、Onsemi、Infineon、Wolfspeed和Rohm）市場份額合計高達 91.9%。SiC襯底方面則呈現國內產能過剩，充分的競爭導致了價格快速下降。 詹旭標說，在技術層面，有以Wolfspeed,、ST Micro和onsemi為代表的平面柵技術，以及以Rohm、Infineon和Bosch為代表的溝槽柵技術。受工藝成熟的與穩定性影響，溝槽柵器件暫時并沒有實現對平面柵結構的全面超越。目前，1200V SiC MOSFET的 Rsp（比導通電阻）處于2.3 – 2.8mΩ⋅cm2水平。 國內SiC器件技術進展及發展趨勢 詹旭標說，國內 SiC 產業鏈正日趨完善。如下圖所示，從SiC晶圓襯底、外延、晶片處理、二極管/晶體管設計、模塊封裝到車載系統，各細分行業均涌現出典型代表，正快速縮小與跨國龍頭企業的差距。 
SiC MOSFET技術方面，國際SiC MOSFET技術持續發展，維持3至5年的迭代周期。中國SiC MOSFET器件最新技術目前已經對標國際主流水平，并保持一年一代的快速迭代節奏。如下圖所示，以清純半導體為代表的國內企業的典型1200V產品系列核心參數已經可以全面媲美國際一流水平。詹旭標說，清純半導體以行業最全面可靠性測試方法、最嚴苛可靠性要求，確保了目前在市場上大概銷售有400萬顆MOSFET，其中產品失效率<1PPM。實現新能源汽車及工業應用400萬顆MOSFET零失效。
據詹旭標介紹，SiC半導體技術發展趨勢體現在以下幾個方面。SiC材料方面，要實現大尺寸、低缺陷SiC襯底及外延制備。材料及制造成本繼續降低，晶圓材料良率提升至5mm×5mm尺寸下大于90% 。SiC器件方面，要實現基于先進SiC材料生長和工藝技術的新型SiC器件。SiC MOSFET 比電阻(特別是高溫比電阻) 繼續降低，各類可靠性、魯棒性接近Si IGBT 水平。工藝方面，要實現面向下一代SiC器件的制造及封裝工藝。繼續研究制約SiC MOSFET/IGBT 發展的基礎科學問題，包括溝道遷移率、缺陷形成及抑制機制和少子壽命控制。 據詹旭標介紹，中國SiC 半導體產業發展趨勢總體比較樂觀。在完成SiC 半導體技術創新及市場教育后，國際競爭焦點逐步從技術研發轉移到大規模量產。依托巨大的應用市場和高效的產能提升，中國在不久的將來有可能主導全球SiC 半導體產業。目前，國際芯片供應商主導供應鏈，國內SiC 材料實現部分替換。將來，國內市場實現全面國產替代，國際芯片與終端企業將與國內企業開展全面合作。 詹旭標總結說，SiC 半導體產業發展迅速，國內在SiC材料與器件量產已經進入內卷和洗牌的快車道。SiC 功率器件在光、儲、充應用的國產替代方面已經成功推進了2到3年，規模持續擴大，部分企業已率先完成100%國產替代。國產車規級SiC MOSFET技術與產能已對標國際水平。雖然由于多種原因，SiC MOSFET在乘用車主驅應用目前仍依賴進口，但未來全面導入國產芯片是大勢所趨。由于競爭激烈和應用場景復雜，車規級 SiC MOSFET 可靠性標準逐年提高，進一步推動設計和制造技術進步。激烈的競爭促使國內SiC半導體產品價格快速下降、質量不斷提高、產能持續擴大，主驅芯片國產替代已經起步，并將逐步上量，最終主導全球供應鏈。最終，國際企業與國內企業在優勢互補的基礎上將實現強強聯合。 |
