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作為第三代半導(dǎo)體的一員，近年來碳化硅（SiC）功率器件備受矚目且發(fā)展迅猛。中國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，很多行業(yè)如新能源汽車、儲(chǔ)能、光伏和風(fēng)力發(fā)電都需要大量的功率器件。在市場(chǎng)爆發(fā)的當(dāng)下，一些中國(guó)企業(yè)已經(jīng)布局碳化硅技術(shù)的研發(fā)和生產(chǎn)，并逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。 清純半導(dǎo)體（寧波）有限公司是一家聚焦于碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域的高科技芯片公司，由張清純先生于2021年3月創(chuàng)立。張清純?cè)谌蛱蓟栊袠I(yè)的鼻祖Cree公司工作近13年，于2019年底全職回國(guó)，入職復(fù)旦大學(xué)，領(lǐng)銜建立上海碳化硅功率器件工程技術(shù)研究中心。在E維智庫(kù)第12屆中國(guó)硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢(shì)峰會(huì)暨百家媒體論壇上，清純半導(dǎo)體(寧波)有限公司市場(chǎng)經(jīng)理詹旭標(biāo)以“車載電驅(qū)及供電電源用SiC技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)”為題介紹了SiC上車這一行業(yè)共識(shí)，SiC產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀，以及國(guó)內(nèi)SiC器件技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)。 SiC上車 詹旭標(biāo)介紹說，中國(guó)新能源汽車的興起是SiC上車的重大機(jī)遇。數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)新車市場(chǎng)的新能源汽車滲透率已經(jīng)超過50%，且中國(guó)的新能源汽車產(chǎn)量已經(jīng)超過全球產(chǎn)量的60%。他說，中國(guó)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)很可能重走光伏產(chǎn)業(yè)的歷程，將來會(huì)主導(dǎo)整個(gè)全球市場(chǎng)。 自2017年特斯拉發(fā)布第一款基于SiC主驅(qū)的電動(dòng)汽車后，比亞迪于2020年也發(fā)布了第一臺(tái)基于SiC主驅(qū)的汽車。在接下來的幾年內(nèi)，各個(gè)主驅(qū)廠或者車廠紛紛投身于SiC平臺(tái)的研發(fā)。目前，主驅(qū)應(yīng)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(xù)航里程。得益于SiC MOSFET的低導(dǎo)通電阻、低開關(guān)損耗，與硅基IGBT方案相比，整個(gè)電機(jī)的控制器系統(tǒng)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(bǔ)能焦慮問題。SiC的應(yīng)用使得充電功率得以大幅提升。預(yù)計(jì)在2025年，快充電樁可以做到15分鐘補(bǔ)電80%。 詹旭標(biāo)說，充電樁是除新能源汽車主驅(qū)外最活躍的一個(gè)市場(chǎng)。目前我國(guó)的汽車充電樁保有量大約為900-1000萬個(gè)。按照規(guī)劃，2030年我國(guó)新能源汽車保有量要達(dá)到6000萬輛，同時(shí)車樁比要達(dá)到1：1，相當(dāng)于在未來4至5年我們還要增加5000萬個(gè)充電樁。按照目前的設(shè)計(jì)，每個(gè)充電樁包含的SiC器件數(shù)量至少是8個(gè)以上。可見這是一個(gè)規(guī)模非常巨大的市場(chǎng)。 SiC產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀 據(jù)市場(chǎng)調(diào)研共公司Yole預(yù)測(cè)，2025年全球 SiC 市場(chǎng)規(guī)模接近 60億 美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為 36.7%。TrendForce數(shù)據(jù)顯示，2023年，SiC 器件市場(chǎng)被國(guó)外企業(yè)壟斷，頭部 5 家龍頭 企業(yè)（ST Micro、Onsemi、Infineon、Wolfspeed和Rohm）市場(chǎng)份額合計(jì)高達(dá) 91.9%。SiC襯底方面則呈現(xiàn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)能過剩，充分的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了價(jià)格快速下降。 詹旭標(biāo)說，在技術(shù)層面，有以Wolfspeed,、ST Micro和onsemi為代表的平面柵技術(shù)，以及以Rohm、Infineon和Bosch為代表的溝槽柵技術(shù)。受工藝成熟的與穩(wěn)定性影響，溝槽柵器件暫時(shí)并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)平面柵結(jié)構(gòu)的全面超越。目前，1200V SiC MOSFET的 Rsp（比導(dǎo)通電阻）處于2.3 – 2.8mΩ⋅cm2水平。 國(guó)內(nèi)SiC器件技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì) 詹旭標(biāo)說，國(guó)內(nèi) SiC 產(chǎn)業(yè)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(shè)計(jì)、模塊封裝到車載系統(tǒng)，各細(xì)分行業(yè)均涌現(xiàn)出典型代表，正快速縮小與跨國(guó)龍頭企業(yè)的差距。 
SiC MOSFET技術(shù)方面，國(guó)際SiC MOSFET技術(shù)持續(xù)發(fā)展，維持3至5年的迭代周期。中國(guó)SiC MOSFET器件最新技術(shù)目前已經(jīng)對(duì)標(biāo)國(guó)際主流水平，并保持一年一代的快速迭代節(jié)奏。如下圖所示，以清純半導(dǎo)體為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)的典型1200V產(chǎn)品系列核心參數(shù)已經(jīng)可以全面媲美國(guó)際一流水平。詹旭標(biāo)說，清純半導(dǎo)體以行業(yè)最全面可靠性測(cè)試方法、最嚴(yán)苛可靠性要求，確保了目前在市場(chǎng)上大概銷售有400萬顆MOSFET，其中產(chǎn)品失效率<1PPM。實(shí)現(xiàn)新能源汽車及工業(yè)應(yīng)用400萬顆MOSFET零失效。
據(jù)詹旭標(biāo)介紹，SiC半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。SiC材料方面，要實(shí)現(xiàn)大尺寸、低缺陷SiC襯底及外延制備。材料及制造成本繼續(xù)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(shí)現(xiàn)基于先進(jìn)SiC材料生長(zhǎng)和工藝技術(shù)的新型SiC器件。SiC MOSFET 比電阻(特別是高溫比電阻) 繼續(xù)降低，各類可靠性、魯棒性接近Si IGBT 水平。工藝方面，要實(shí)現(xiàn)面向下一代SiC器件的制造及封裝工藝。繼續(xù)研究制約SiC MOSFET/IGBT 發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)問題，包括溝道遷移率、缺陷形成及抑制機(jī)制和少子壽命控制。 據(jù)詹旭標(biāo)介紹，中國(guó)SiC 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)總體比較樂觀。在完成SiC 半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新及市場(chǎng)教育后，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)逐步從技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)移到大規(guī)模量產(chǎn)。依托巨大的應(yīng)用市場(chǎng)和高效的產(chǎn)能提升，中國(guó)在不久的將來有可能主導(dǎo)全球SiC 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。目前，國(guó)際芯片供應(yīng)商主導(dǎo)供應(yīng)鏈，國(guó)內(nèi)SiC 材料實(shí)現(xiàn)部分替換。將來，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)替代，國(guó)際芯片與終端企業(yè)將與國(guó)內(nèi)企業(yè)開展全面合作。 詹旭標(biāo)總結(jié)說，SiC 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)在SiC材料與器件量產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入內(nèi)卷和洗牌的快車道。SiC 功率器件在光、儲(chǔ)、充應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)替代方面已經(jīng)成功推進(jìn)了2到3年，規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，部分企業(yè)已率先完成100%國(guó)產(chǎn)替代。國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)SiC MOSFET技術(shù)與產(chǎn)能已對(duì)標(biāo)國(guó)際水平。雖然由于多種原因，SiC MOSFET在乘用車主驅(qū)應(yīng)用目前仍依賴進(jìn)口，但未來全面導(dǎo)入國(guó)產(chǎn)芯片是大勢(shì)所趨。由于競(jìng)爭(zhēng)激烈和應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，車規(guī)級(jí) SiC MOSFET 可靠性標(biāo)準(zhǔn)逐年提高，進(jìn)一步推動(dòng)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)進(jìn)步。激烈的競(jìng)爭(zhēng)促使國(guó)內(nèi)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)品價(jià)格快速下降、質(zhì)量不斷提高、產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)大，主驅(qū)芯片國(guó)產(chǎn)替代已經(jīng)起步，并將逐步上量，最終主導(dǎo)全球供應(yīng)鏈。最終，國(guó)際企業(yè)與國(guó)內(nèi)企業(yè)在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的基礎(chǔ)上將實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。 |
