第三代半导体爆发前夕，谁在提前布局碳化硅？

文丨芯锂话

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。

但如此“吝啬”的特斯拉却愿意在几块小小的SiC芯片上花费重金，究竟原因何在？就为了显著提升续航能力。

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。

01、一战成名的第三代半导体

随着Model 3的成功，SiC一战成名，功率模块开始迅速“上车”。

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。

值得注意的是，三代半导体之间并非彼此完全替代的关系，而是更类似于相互补充。每一代产品之间均有着各自的优势，仅在部分场景实现对传统产品的替换。

例如SiC耐高压，材料击穿电场强度是硅的10倍；同时热导率比硅更高，对散热的要求更低；适用高频场景，碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍，这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。

这意味着，SiC可以减少能耗损失，提高能源转化效率，SiC材料能够实现在射频器件和功率器件上对硅基材料的性能完美替代。

在此之前，硅基IGBT统治了高压高电流场景，而硅基MOSFET效率远不如IGBT，仅适用于低压场景。不过，硅基IGBT也存在一些缺点，比如无法承受高频工况、功耗较大等。

SiC出现后，由于具备耐高压、耐高频的特性，因此仅用结构更简单的MOSFET器件就能覆盖现在IGBT耐压水平，同时规避硅基IGBT的缺点，耗能更少。数据统计显示，相同规格的碳化硅基 MOSFET较硅基 IGBT 的总能量损耗可大大降低 70%。

正是因此在Model 3上的成功，让第三代半导体迅速商业化落地，由此也让资本市场注意到了小小元器件的价值。

02、SiC的“奇点时刻”

尽管SiC存在诸多性能上的优势，但明显过高的成本依然限制了它的全面应用。

硅晶圆制造工艺成熟，硅基器件成本极低。与之相对，目前商用SiC衬底制备需要用到物理气相传输法（简称PVT法），这种方法需要极高温度，同时生长周期长、控制难度大，良品率低。此外，SiC硬度极高且脆性高，切割耗时远远高于普通硅片。

这些原因综合起来，造成了碳化硅的高成本难题。

目前来看，SiC器件成本仍是硅基产品数倍。但考虑到SiC器件的低能耗优势，以及量产和技术成熟带来的成本下降趋势，在新能源时代，SiC即将迎来属于它的性价比“奇点时刻”。

新能源时代将是SiC的大舞台。在新能源汽车行业，SiC可用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩等。

在逆变器上，一辆使用SiC功率器件的电动汽车，在同等电池条件下，续航能够提升5-10%。这也是目前碳化硅在新能源汽车应用最多的市场。而在充电和快充领域，随着成本的降低，碳化硅器件的应用也在逐渐深入。

此前，小鹏布局的800V高压快充平台，即配置SiC芯片，用以在高压场景中发挥关键性能。

与此同时，新能源革命还带来了更多应用场景，光电、风电等不规律发电模式，以及配套的储能体系，将成为SiC器件有待开发的庞大市场。

如在光伏发电上，目前光伏逆变器龙头企业已采用SiC功率器件替代硅器件。新基建中，特高压输电工程对SiC器件具有重大需求。

广而言之，未来SiC将在固态变压器、柔性交流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。

据Yole预测，SiC器件应用空间将从2020年的6亿美金快速增长至2030年的100亿美金。华为预计，在2030年光伏逆变器的SiC渗透率将从目前的2%增长至70%以上，在充电基础设施、电动汽车领域的渗透率超过80%，通信电源、服务器电源将全面推广应用。

乐观估计，属于SiC的大时代即将来临。

03、国产半导体的突破口

从更高维度分析，以SiC为代表的第三代半导体材料，有望成为中国半导体行业的突破口。

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。

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