Collect
Navigate：第三代半导体商用提速 8英寸碳化硅时代来临
2018年，特斯拉在Model 3上破天荒的“一掷千金”，在主逆变器中安装了24个由意法半导体生产的碳化硅（SiC）MOSFET 功率模块。
当时，一块SiC芯片的价格要比传统硅芯片贵十倍左右，即使如今SiC售价有所下降，但SiC芯片的价格也是同等硅器件的数倍。
一直以来，特斯拉都是电动汽车市场的先驱，尤其在成本控制上几乎到了“丧心病狂”的地步，采用模块化平台、压铸一体成型后车体、优化电池包设计、放弃激光雷达，只要能够压缩成本，几乎无所不用其极。
相较于Model S上使用的IGBT模块，Model 3所采用的SiC芯片能够为逆变器带来5-8%的效率提升，即逆变器效率从82%提升至90%，大幅改善续航能力。此外，SiC器件在高温下表现更好，哪怕达到200度的高温，也能维持正常功率，保证长时间的高效率输出。
正是基于这些优势，马斯克最终将更昂贵的碳化硅应用到Model 3性能版上，由此带动了一场SiC替代传统硅基器件的产业革命。
自此之后，SiC正式成为丰田、比亚迪、蔚来、通用、大众、雷诺-日产-三菱等车企的重点布局方向。SiC这一较为生疏的名词，也逐渐被市场所熟知。
实际上，SiC属于第三代半导体，这已经是半导体行业发生的第二次产业突破。
第一代即是以硅和锗等元素为代表的单质半导体材料，它的发现直接推动了人类通信、航空光伏技术的发展。
虽然被称为第一代半导体产品，但硅基半导体材料今日依然是产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。
第二代半导体材料以砷化镓、磷化铟为代表，相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，被广泛应用于光电子和微电子领域，是制作发光二极管的关键衬底。
第三代半导体材料以SiC和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，适用于高温、高压、高频率场景，同时具有电能消耗较少的优势。
眼下，国内在碳化硅领域的上游产业环节还存在提升空间，如部分环节的设备缺席、缺乏规模化生产平台等，这意味着产业链发展还需平衡。
不同于第一代半导体材料硅基的发展在国内正面临一系列掣肘，作为化合物半导体材料的碳化硅器件正逐渐迎来商用加速期。
在此领域，由于国内外的起步和发展时间相差不大，而成为备受关注的突围市场。
特斯拉率先让碳化硅器件上车起到了关键推动作用。多方机构都预测，在未来5-10年间，碳化硅器件的应用增长点会陆续涌现，包括新能源汽车、储能、光伏风能发电、5G通信等领域。
近日举行的2022 中国·南沙国际集成电路产业论坛期间，多名业内人士都指出，随着海外大厂开始小规模量产8英寸碳化硅器件，8英寸时代正在到来。当然，眼下国内在碳化硅领域的上游产业环节还有提升空间，比如部分环节的设备缺席、缺乏规模化生产平台等，这意味着产业链发展还需平衡。同时需要关注的是，如今国内各地都在积极建设碳化硅相关产业生态，随着产业发展到一定阶段，可能也将迎来一定程度的并购融合。
碳化硅商用落地的典型代表就是特斯拉，在其推动下，碳化硅的应用进度和市场空间都打开了想象力。
基本半导体董事长汪之涵在前述论坛演讲中指出，从1982年IGBT发明到现在，其仍然是功率半导体器件中最为重要的一个，在各种电力电子应用中发挥着巨大作用。
不过在过去几年时间里，人们欣喜地发现，在很多高端应用中，碳化硅MOSFET已经逐渐取代硅基IGBT。“这个取代的过程和势头，似乎比大家前几年的判断来得更早更快，所以我们认为，碳化硅成为功率半导体主流的时代似乎已经来到。”他续称，虽然目前碳化硅器件的成本比硅基IGBT要高不少，但从全生命周期成本来看，通过使用碳化硅器件，现在的账已经能算过来了。
根据Yole研判，到2027年预计全球碳化硅芯片市场规模约63亿美元，其中接近80%的市场（也即约50亿美元）来自于新能源汽车。汪之涵指出，根据其团队测算，随着碳化硅产品成本降低，到2027年，一辆车上不同部件使用碳化硅的价格在2000-3000元，那么届时全球将有一千万辆车使用碳化硅器件，实际上这个数量将只多不少。
根据机构统计，到2030年，中国大陆总用电量将达到10.5万亿度/年，若能用碳化硅功率器件替代传统硅基器件，可节电万亿度，约等于10座三峡大坝。
从应用端来看，新能源汽车、光伏和储能、航天、工业等领域牵引下，全球碳化硅市场的规模正快速成长，预计2019-2025年的复合年均增长率为30%。
山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆教授徐现刚也指出，碳化硅单晶应用主要为两个方面：一是电力电子碳化硅器件领域，在导电型衬底之上做碳化硅同质外延，如新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件上应用；二是把碳化硅作为衬底材料，生长氮化镓材料的异质外延，在高频大功率微波电子器件里获得了较大应用，也在雷达、通信系统等方面有应用。
不过，目前国内在碳化硅功率器件和衬底市场依然有较大发展空间。据调研机构Yole统计，无论是碳化硅器件销售额，还是碳化硅导电型衬底市场视角来看，占据主要份额的都为来自美国、欧洲和日本的公司，部分情况下甚至有垄断态势。
以硅基IGBT为例，全球IGBT等元器件目前仍以英飞凌、安森美、三菱、富士等为主。数据显示，2019年IGBT模组市场份额CR10占比81.10%，其中仅斯达半导为国内企业，占比仅2.50%。
虽然在新能源汽车IGBT细分领域上，斯达半导和比亚迪等企业市场份额占比较大。但在全球硅片产能整体受限的情况下，IGBT产品配额十分匮乏，国产化替代步伐并不算快。
一种观点认为，在关键碳化硅衬底技术方面，国内和海外厂商的差距大约是2-3年，但随着集中力量推进研发，这个时间差距有望进一步缩短。
徐现刚在演讲中指出，从衬底发展来看，海外厂商在十年前突破了6英寸衬底技术，目前已稳定导入产业；并在国内“十三五”期间突破了8英寸衬底量产的关键难题，正快速导入量产进程。
国内厂商近些年来也在积蓄经验后快速推动研发落地。“针对碳化硅单晶的研究前期，我们亟需和下游密切配合。在研发2-3英寸单晶时，很难找到电力电子大规模应用，所以我们找到了光电子应用；在6英寸和8英寸单晶上，我们希望和半导体界以及电力电子行业密切配合，也做好了准备。产业角度的需求已经非常旺盛；技术路线上，碳化硅外延的整个产业链不存在被制约发展的问题，所以我认为，8英寸时代真正到来了。”
一名碳化硅器件创业者指出，全球碳化硅衬底龙头Wolfspeed已经在近期的电话会上表示，将建设第二座8英寸晶圆厂。“所以我们对这个趋势还是很有信心。”
虽然目前国内企业仅能生产4英寸和6英寸衬底，但从它们的量产时间上看，落后国际巨头的时间由10年以上缩短至7年，差距正在不断缩小。
他续称，就像最开始一种观点认为硅基不用那么着急被碳化硅器件替代一样。特斯拉作为第一个吃螃蟹的人成功之后，大家都开始积极跟进，才有了现在被认为行业将爆发式增长的预期。“所以我想碳化硅晶圆尺寸发展也一样，成熟的8英寸衬底推出后，必然会让成本降低。当然先要面对研发、材料良率低等现阶段难题，但实际上随着技术进步，这也是之前6英寸研发过程中都遇到过的情况。”
还有一个不可忽视的问题是各地的积极建设。一些行业人士指出，在未来十年，整个碳化硅行业面临着巨大机会，同时挑战也很大。目前国内多个省份和城市已经开始推动碳化硅材料和器件等环节的大规模项目落地，这一方面意味着各地都在认可碳化硅的发展未来并积极促进，但另一方面，大规模建设后，在未来几年可能也会面临行业整合过程。
新能源大时代，国内是最大的新能源汽车市场，更是最大的能源使用国之一，在此催化下，国产SiC产业链有望实现更快发展，甚至成为我国在半导体行业的突破口。
风口之下，SiC也已成为国内上市公司投资布局重点方向。
目前，三安光电已宣布总投资160亿元，将打造国内首条、全球第三条SiC垂直整合产业链，覆盖衬底、外延和器件三大环节。这种模式目前仅科锐和罗姆两大公司采用，其他国际巨头们也正在通过投资并购等方式实现全产业链布局。
露笑科技计划总投资100亿布局SiC产业项目，目前已经开启6英寸导电性SiC衬底小批量试生产；光伏晶体设备生产商晶盛机电也宣布31.34亿元投资SiC衬底晶片生产基地项目，设计产能年产40万片6英寸及以上尺寸的导电型和半绝缘型SiC衬底晶片；凤凰光学碳化硅外延材料也已具备量产能力。
此外，华润微、斯达半导等半导体企业也在布局SiC衬底和器件环节。其中，华润微SiC产品即将发布。
SiC也迎来科技巨头密集押注。据山东天岳招股书，华为旗下哈勃投资是山东天岳第四大股东，发行后持有6.34%股权；同时，哈勃投资也是天科合达第四大股东，IPO终止前持有4.82%股权。除此之外，华为还投资了瀚天天成以及东莞天域两大碳化硅外延龙头企业。
此外，小米旗下湖北小米长江产业基金也在今年10月底投资SiC器件企业上海瞻芯，持股6.80%；TCL资本参与了SiC器件企业泰科天润的D轮融资。
可以看到，SiC已经成为科技巨头和资本布局的重点方向。随着核心技术路线更为成熟，其降成本路径已经显现，在新能源大局和国产半导体崛起契机下，SiC有望开启千亿级蓝海市场。
注：文章整理转载于网络，仅供参考学习，版权归原作者所有，如涉及侵权，请联系小编删除。
Pre：2021全球前十大模拟IC厂商出炉，504 亿美元销售额占68%市场份额 2025-09-30
Next：什么是宽禁带半导体？ 2025-09-30
