隨著新能源汽車、光伏、風(fēng)電、充電樁、智能電網(wǎng)等能源行業(yè)，以及航空航天、軌道交通、高端裝備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，催生了對電力電子器件更高性能的要求。傳統(tǒng)硅基功率器件受材料特性限制已達(dá)到理論極限，第三代半導(dǎo)體——碳化硅則能夠替代傳統(tǒng)硅材料，滿足更高性能要求，將在眾多前沿領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用！

圖1：SiC功率器件應(yīng)用場景

來源：東興研究所、DT新材料

1.SiC功率器件研產(chǎn)進(jìn)展

基于碳化硅制備的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、高效等特性。按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開關(guān)，其中：碳化硅功率二極管包括肖特基二極管（SBD）、PiN二極管以及結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS），目前商業(yè)化較為成熟的主要是SiC SBD：SiC 功率開關(guān)主要有單極型晶體管和雙極型晶體管兩種類型，分別主要適用于1~15kV以及大于15kV的應(yīng)用場合，其中單極型晶體管主要包含MOSFET、JFET和SIT，目前商業(yè)化的主要是SiC MOSFET和SiC JFET；雙極型晶體管則主要包含BJT、IGBT、GTO和ETO，其中SiC BJT已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

早在2001年，德國英飛凌就成功推出了世界首款SiC商用器件——SiC SBD，隨后美國CREE，意法半導(dǎo)體，以及日本羅姆、瑞薩等廠商也相繼推出了SiC功率器件產(chǎn)品。目前SiC SBD已形成穩(wěn)定的產(chǎn)品系列，比如 600V、1 200V以及1700V規(guī)格。與Si基二極管相比，SiC SBD具有較高阻斷電壓、無反向恢復(fù)及更好的熱穩(wěn)定性等特點。除了采用分立封裝的SiC SBD外，SiC SBD還可被用作續(xù)流二極管并與Si IGBT或Si MOSFET進(jìn)行集成封裝進(jìn)而制備Si/SiC混合功率模塊,被認(rèn)為是綜合器件性能和材料成本的折中優(yōu)化方案。

圖2：SiC SBD相較傳統(tǒng)Si SBD優(yōu)勢

來源：ROHM，DT新材料

SiC PiN二極管因電導(dǎo)調(diào)制作用而具有更高的擊穿電壓和更低的反向泄漏電流，相較肖特基二極管更適用于高壓范圍。在10~20kV的高電壓等級下，SiC PiN二極管與SiC SBD與SiC JBS相比在導(dǎo)通壓降、開關(guān)損耗與高溫性能等方面優(yōu)勢明顯。此外，超高壓SiC PiN二極管與10~15kV SiC開關(guān)器件配合在電力系統(tǒng)超高壓功率變換器中具有巨大應(yīng)用前景。目前Genesic公司開發(fā)了15kV 4H-SiC PiN二極管。而國內(nèi)方面，近年來電子科技大學(xué)和中電科55所報道了擊穿電壓達(dá)4.5kV的SiC PiN二極管。

SiC JBS二極管則結(jié)合了SiC SBD擁有的小開啟電壓、大導(dǎo)通電流、快開關(guān)速度，以及SiC PiN低漏電流、高擊穿電壓的特點，另將JBS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)與制造工藝進(jìn)行調(diào)整就可形成PiN-肖特基結(jié)二極管（MPS）。目前國內(nèi)部分廠商已經(jīng)開發(fā)了SiC JBS相關(guān)產(chǎn)品，比如基本半導(dǎo)體，揚杰科技，華潤微，森國科等。

SiC MOSFET具有優(yōu)異的柵極絕緣特性、高開關(guān)速度、低開關(guān)損耗、低導(dǎo)通電阻和較好的高溫穩(wěn)定性，擁有替代Si IGBT的潛力，是目前最受關(guān)注的SiC功率器件之一。目前已有750V、900V、1000V、1200V、1700V、3300V的SiC MOSFET商業(yè)化生產(chǎn)，其中1200V電壓等級的SiC MOSFET相對較為成熟。600V以下電壓范圍，SiC MOSFET與CoolMOS相比優(yōu)勢并不明顯，所以市面上幾乎沒有該范圍內(nèi)的產(chǎn)品；600~900V電壓范圍，SiC MOSFET與目前主流產(chǎn)品CoolMOS形成競爭，其主要優(yōu)勢在于芯片面積小、體二極管的反向恢復(fù)損耗??；而在更高電壓等級的中大功率應(yīng)用場景，目前主要采用的是Si IGBT，SiC MOSFET則可以完美進(jìn)行替代，因其能夠明顯降低開關(guān)損耗，減小散熱器體積與質(zhì)量，且SiC MOSFET可在Si IGBT無法進(jìn)行工作的高頻下進(jìn)行工作，從而進(jìn)一步降低了電抗元件的體積與質(zhì)量，有助于整機(jī)實現(xiàn)更高的功率密度。下圖中我們可以看到，在電動車不同工況下，SiC MOSFET相較Si IGBT可帶來功耗降低60~80%，效率提升1~3%，由此可帶來電動車?yán)m(xù)航能力提升約10%，實現(xiàn)PCU體積的減小以及系統(tǒng)成本的下降。

圖3：不同工況測試下SiC MOSFET與Si IGBT功耗對比

來源：中信證券，DT新材料

圖4：不同工況測試下SiC MOSFET與Si IGBT效率對比

來源：中信證券，DT新材料

圖5：SiC SBD相較傳統(tǒng)Si功率器件的優(yōu)勢

SiC JFET根據(jù)柵壓為零時的溝道狀態(tài)可分為耗盡型與增強(qiáng)型兩大類，其中耗盡型SiC JEFT具有更低的導(dǎo)通電阻與更小的結(jié)電容，在高電壓等級應(yīng)用場景中能獲取更高的效率。耗盡型SiC JFET可與低壓Si MOSFET聯(lián)合使用形成組合開關(guān)器件Cascode SiC JFET，同時具有Si MOSFET的優(yōu)點（可靠的MOS柵與易實現(xiàn)的柵極驅(qū)動）和SiC JFET 高壓、高速、高溫的工作性能。對于更高電壓等級的應(yīng)用場景，通過串聯(lián)更多SiC JFET實現(xiàn)的“超級Cascode”可提供高達(dá)幾kV的電壓額定值。SiC JFET目前能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)的開關(guān)性能和接近理想的電流限制和保護(hù)，備受市場關(guān)注，Infineon、UnitedSiC、Semisouth等企業(yè)都推出了商業(yè)SiC JFET系列器件產(chǎn)品。

圖6：帶有Si-MOSFET的Cascode SiC JFET

SiC BJT是最具吸引力的SiC 開關(guān)結(jié)構(gòu)之一，具有很低的導(dǎo)通壓降、較快的開關(guān)速度且受溫度影響較小，工作頻率可達(dá)數(shù)十兆赫茲，而且不存在傳統(tǒng)Si BJT的二次擊穿問題，可實現(xiàn)器件可靠工作。目前以GeneSiC為代表的企業(yè)采用先進(jìn)封裝工藝開發(fā)了具有250℃以上高溫工作能力和優(yōu)越電氣性能的SiC BJT，應(yīng)用于功率電子電路可顯著提高整機(jī)效率，縮小系統(tǒng)尺寸，減少元件數(shù)，降低系統(tǒng)成本，減輕散熱負(fù)擔(dān)。此外，GeneSiC在其研制的SiC BJT單管基礎(chǔ)上利用并聯(lián)技術(shù)開發(fā)了SiC BJT功率模塊，可與Si MOSFET、Si IGBT模塊驅(qū)動芯片兼容，具有損耗低體積小的優(yōu)點，可廣泛用于混合動力汽車、開關(guān)電源、UPS、電機(jī)驅(qū)動等眾多場景。

Si IGBT因具有簡單的柵極驅(qū)動方式和較大的電流處理能力，是目前中壓領(lǐng)域的主流選擇，目前商用的Si IGBT受體積與散熱等問題限制，最高耐壓僅為6.5kV，而SiC IGBT則可擁有更高的耐壓能力，比如Wolfspeed與Powerex聯(lián)合研制了15kV/20A的N溝道SiC IGBT模塊。但目前SiC IGBT仍處于研究階段，亟待突破大尺寸、高質(zhì)量SiC襯底材料，低缺陷密度外延生長工藝，先進(jìn)封裝工藝，以及結(jié)端擴(kuò)展（JTE）和場限環(huán)（FLRs）終端工藝等以實現(xiàn)高性能SiC IGBT的制備。

2.下游市場提振疊加材料成本下降，SiC功率器件已進(jìn)入“大藍(lán)海時代”。

隨著新能源汽車、光伏、風(fēng)電、充電樁等領(lǐng)域的快速發(fā)展，為SiC功率器件帶來了巨大的市場應(yīng)用需求。此外，基于我們之前梳理的近30家國內(nèi)碳化硅襯底企業(yè)的研產(chǎn)進(jìn)展，預(yù)測未來幾年，碳化硅襯底產(chǎn)能大規(guī)模釋放或?qū)聿牧隙顺杀镜南陆?，進(jìn)而加速推動SiC功率器件在各領(lǐng)域的加速滲透。根據(jù)Yole預(yù)測，2018-2024年，全球SiC功率器件市場規(guī)模將由4.20億美元增長至19.29億美元，CAGR高達(dá)29%，其中電動汽車市場是最大驅(qū)動力，預(yù)計2024年消費占比將達(dá)到49%（包括OBC、逆變器、DC/DC、充電樁等應(yīng)用）。

圖7：2018-2024年全球SiC功率器件市場規(guī)模及細(xì)分情況

來源：Yole，DT新材料

3.SiC功率器件行業(yè)競爭格局

由于功率器件電路構(gòu)造相對集成電路來說較為簡單，并沒有形成類似集成電路行業(yè)設(shè)計與制造相分割的局面，業(yè)內(nèi)大部分企業(yè)主要采取IDM模式，比如英飛凌，安森美、意法半導(dǎo)體、瑞薩、羅姆等，而且IDM模式可將各環(huán)節(jié)的成本壓至最低而獲取高利潤。國內(nèi)企業(yè)也同樣以IDM模式為主，比如華潤微、泰科天潤、士蘭微、揚杰科技、基本半導(dǎo)體等。

從全球碳化硅產(chǎn)業(yè)參與者來看，以CREE和羅姆為代表的企業(yè)實現(xiàn)了從碳化硅襯底、外延、設(shè)計、器件及模塊制造的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，實力較為強(qiáng)勁；國內(nèi)同樣實現(xiàn)碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)則主要有三安光電和世紀(jì)金光。

圖8：國內(nèi)SiC功率器件代表企業(yè)

來源：DT新材料