碳化硅半导体暗战升级 新能源汽车或是主力市场

新材料正在重塑全球半导体产业竞争新格局。业内人士希望到2025年，碳化硅的供应商有足够的产能，否则这个行业或许会面临供需不平衡问题。虽然市场空间巨大，但其大规模商用仍需跨越多个方面的关卡。

在“新基建”和“双碳”目标的推动下，我国第三代半导体产业正加速发展，有望成为绿色经济的中流砥柱，引领新一轮产业革命。

而以碳化硅为代表的第三代半导体，也是支撑新能源汽车发展的关键技术之一，在电机控制器、车载充电器、DC/DC转换器等零部件中发挥重要的作用。虽然其在汽车行业大规模普及尚待时日，但国内外企业瞄准第三代半导体的竞争已经开启。

第三代半导体处在黄金赛道

从上世纪90年代才真正起步，中国半导体产业可谓一直在“自主可控”的道路上奋进。随着第三代半导体崭露头角，我国半导体产业也迎来了新的发展契机。更为重要的是，我国正处在碳达峰阶段，并将逐步过渡到碳中和时代，汽车领域的电气化必将为其提供有力支撑。

从半导体的发展历史看，硅、锗为第一代半导体;砷化镓、磷化铟为第二代半导体的代表;发展到第三代半导体，涌现出碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等材料。其中，碳化硅、氮化镓目前是技术相对成熟的材料。

在电力电子领域，电力供应与传输的开和关，可以用半导体的导电和不导电来实现，从而构成了功率半导体的基础。而功率半导体，正是第三代半导体的主要用武之地。据悉，第三代半导体的应用场景通常为高温、高压、高功率场景，器件需要具有较好的耐高温和散热性能，以保证其工作寿命。第三代半导体主要应用于功率器件和射频器件。从应用场景来看，碳化硅器件更适合高压和高可靠性情景，应用在新能源汽车和工控等领域，氮化镓器件更适合高频情况，应用在5G基站等领域。

业界普遍认为，碳化硅是第三代半导体材料的代表，也是未来能源、交通、制造等领域的重要支撑技术。碳化硅的热导率约是氮化镓热导率的3倍，具有更强的导热性能，器件寿命更长，可靠性更高，系统所需的散热系统更小。

当前，第三代半导体正处于快速发展的黄金赛道。2020年，我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过100亿元，同比增长69.5%。其中，碳化硅、氮化镓电力电子产值规模达44.7亿元，同比增长54%。

从第三代半导体产业发展情况来看，全球市场基本形成了美国、欧洲、日本企业三足鼎立的态势。虽然与国际巨头仍有一定差距，但随着下游市场的需求拉动，我国企业也开始奋起直追。

“新材料正在重塑全球半导体产业竞争新格局。”第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲说道。

新能源汽车或是主力市场

碳化硅功率器件被广泛应用于新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等，以及光伏、风电等领域。受益于新能源汽车推广，碳化硅功率器件市场有望迎来快速增长。资料显示，到2025年，新能源汽车与充电桩领域的碳化硅市场将达17.78亿美元(约合人民币116.81亿元)，约占碳化硅总市场规模的七成。

“希望到2025年，碳化硅的供应商有足够的产能，否则这个行业或许会面临供需不平衡问题。”半导体研究咨询公司Yole功率与无线部门总监克莱尔·特劳德克指出，碳化硅模块在IGBT市场的应用不断增长，碳化硅技术及基础器件未来发展空间巨大，这也是越来越多企业在这个领域加大投入的原因。

北京天科合达半导体股份有限公司副总经理刘春俊表示，由于碳化硅具有开关速度快、开关损耗小的优势，是实现新能源汽车电机控制器功率密度提升的关键要素。事实上，行业人士已形成共识，第三代半导体碳化硅的普及和应用是电驱动系统发展的必然趋势。

据记者了解，采用碳化硅器件的电驱系统，体积可减小40%，重量可减轻30%，效率可提升10%。同时，碳化硅器件的能量损失更小。相较于硅基IGBT，采用碳化硅MOSFET的电动汽车，续驶里程更长，可增加5%～10%，因为减少能量损耗能够直接提高车辆续驶里程。

得益于碳化硅材料的独特优势，近年来，产业链上下游企业纷纷对此展开布局。当前，碳化硅二极管和MOSFET管器件在新能源汽车的车载电源系统上已获得应用，而行业也在期待碳化硅功率模块在新能源汽车上全面替代硅基IGBT模块。

特劳德克介绍称，目前碳化硅市场占比不足4%，但到2026年前后，这个数字有望增至30%，氮化镓占比或达5%，碳化硅和氮化镓在今后的功率半导体市场会有更多的增长机会。

此外，储能市场也是碳化硅应用的重要领域。根据中商情报网数据，使用碳化硅功率器件可使转换效率从96%提高至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍。

深圳古瑞瓦特新能源有限公司副总经理兼研发总监吴良材表示，发展家庭能源系统在欧美市场是比较流行的一个趋势。整个家庭中的能源由光伏提供，包含光伏储能与电动汽车。碳化硅高导热性、高耐温性、宽禁带和高击穿场强的性能非常适合这一场景应用。事实上，特斯拉就已构建一个以太阳能屋顶系统和Powerwall为核心的能源系统，其投建光储充一体化超级充电站工作原理是将太阳能转化为电能，并通过Powerwall存储相关能量，并将这些电能再以充电的形式补给电动汽车，由此形成一个能量使用的闭环。

全产业链布局竞争暗流涌动

当前，全球多个国家和地区对碳化硅的发展都有比较明确的产业政策，企业间的竞争也不断加速。目前，碳化硅器件市场的头部企业包括意法半导体、Wolfspeed、罗姆半导体、英飞凌、艾森美、三菱电机等。这些企业对于碳化硅板块未来的预期都非常高。

一些整车企业在碳化硅的应用上也较为积极。特斯拉是率先使用碳化硅功率器件的车企，其Model 3、Model Y采用意法半导体的碳化硅MOSFET模块，显著提升了车辆续驶里程和其他性能。2020年，比亚迪高端车型“汉”也配装碳化硅功率模块。比亚迪预计到2023年，将在旗下电动汽车上实现碳化硅器件对硅基IGBT器件的全面替代。

据悉，不少车企已将碳化硅电机控制器列入新项目开发计划。小鹏汽车、蔚来汽车都官宣，要使用碳化硅的工艺器件模块。此外，丰田、大众、北汽、一汽、理想汽车业都有使用碳化硅工艺器件的计划。

在刘春俊看来，国际上碳化硅的产业链已完全成熟，中国的碳化硅产业链发展比较快，目前形成了完全的产业链，从衬底-外延-器件-应用，我国企业都占据了一定的市场份额和地位。

以英飞凌的IGBT为例，国内企业的IGBT产品与之相比至少还有两代以上的差距，约为8～10年。因此，国内碳化硅企业肩负着攻克“卡脖子”技术的使命。

有业内人士对记者表示，国内外约有碳化硅器件企业20多家，能够供应碳化硅MOSFET的企业也不断出现。自主碳化硅器件与碳化硅电机的商业化落地，不仅意味着新技术的飞跃，而且将进一步打破IGBT被外资企业垄断的局面。

据刘春俊介绍，天科合达半导体完成了6英寸导电型和半圆型碳化硅衬底的产业化，“未来5年，6英寸产品将是市场的主流，8英寸产品也在逐步量产，我们计划明年实现量产，其他家也在积极做量产的准备。”

“随着技术的进步和成本的降低，未来碳化硅将会在更多的领域得到应用。”南京大学教授李哲洋称，碳化硅芯片在较高的温度下工作，同时拥有低的损耗(导通损耗和开关损耗)，系统集成的时候使用较小的冷却系统，在提高效率的同时系统耗损减少，适用于新能源汽车快充。

产业化仍需跨越诸多挑战

“十四五”规划指出，要推动第三代半导体产业迅速发展。我国也陆续出台相关政策，为第三代半导体产业的发展提供支持。

近日，北京市印发《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》，提出支持开展关键新材料“卡脖子”技术攻关，搭建硅基光电子、第三代半导体器件等重点领域共性技术平台，加速技术及产品研发进程;围绕碳化硅、氮化镓等高品质材料、器件、核心设备，打造第三代半导体高端产业链。

今年3月，科技部正式批复了《支持广东省建设国家第三代半导体创新中心》，支持设置深圳平台，聚焦第三代半导体关键核心技术和重大应用突破，统筹全国优势力量为第三代半导体提供源头技术供给，推动我国第三代半导体产业创新能力整体跃升。

基本半导体汽车行业总监文宇对记者表示，新能源汽车的快速增长将极大地提升碳化硅功率模块的需求，预计行业将在2023年迎来碳化硅电机控制器的量产爆发。

根据Yole公司的研究，2018年碳化硅功率器件市场规模约4亿美元，2024年这个数字将增至50亿美元，年复合增速约51%，而2027年碳化硅功率器件市场规模有望达到172亿美元。虽然市场空间巨大，但碳化硅的大规模商用仍需跨越多个方面的关卡。

“成本一直是碳化硅器件应用的一只拦路虎。”李哲洋介绍称，目前有几个途径可降低成本，一是扩产，几家大型供应商进行了较大规模的扩产，并进一步加大相关投入;二是技术创新，例如丰田采用表面纳米工艺，实现了零缺陷的6英寸衬底，从而大大提高了其使用效率，日本住友通过溶液单晶生长方法，最近获得了了使用面积高达99%的6英寸衬底，生长速率达到了2毫米/小时。

此外，碳化硅产品还面临可靠性和应用方面的挑战。据悉，目前掌握MOSFET氧化层核心技术的公司较少;针对一些应用场景，碳化硅的解决方案设计难度增加;新冠肺炎疫情的反复降低了工作效率。

业内人士告诉记者，碳化硅良品率提升是产业发展的关键，碳化硅长晶技术难度较高，良品率提升困难，如果碳化硅生产良品率不及预期，第三代半导体应用普及速度面临挑战。

刘春俊称，碳化硅未来将朝着大尺寸特别是8英寸发展，此外会不断降低成本，并减小缺陷密度，提供高质量产品。

“从系统集成的角度，如何平衡碳化硅产品的优势和挑战以及成本问题，是产业界需要共同探讨和解决的问题。”采埃孚(中国)投资有限公司电控开发高级经理魏俊生指出，“这些方面其实是相辅相成的，通过更好的系统集成和更好的产品应用，能实现器件成本的优化。”

标签： 碳化硅 半导体 双碳目标 汽车领域