5G和軍工雙輪驅(qū)動化合物半導體業(yè)爆發(fā)

　　3.2. SiC：市場已正式形成，未來在電動汽車中將大有可為

　　由于硅基功率器件的性能已逼近甚至達到了其材料的本征極限，研究人員早在 19 世紀 80 年代就把目光轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽w器件，如碳化硅(SiC) 、氮化鎵(GaN)等。寬禁帶功率半導體器件與傳統(tǒng) Si 基功率半導體器件相比較，其材料特性主要表現(xiàn)在：寬能帶、高飽和速度、高導熱性和高擊穿電場等。使 SiC 功率半導體器件具有如下 Si 基器件無可比擬的電氣性能。

　　1)耐壓高。臨界擊穿電場高達 2 MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10 倍于 Si)。SiC器件的阻斷電壓可達幾千伏，這為其在電氣化鐵路、電力系統(tǒng)等方面的應用創(chuàng)造了條件。目前商業(yè)化的阻斷電壓己達到 1700V。

　　2)散熱容易。由于 SiC 材料的熱導率較高(3倍于 Si)，散熱更容易，器件可工作在更高的環(huán)境溫度下。有報導，SiC 肖特基二極管在 361 ℃的工作結(jié)溫下正常工作超過 1 小時。

　　3)導通損耗和開關(guān)損耗低。SiC 材料具有兩倍于 Si 的電子飽和速度，使得 SiC 器件具有極低的導通電阻(1/100 于 Si)，導通損耗低;SiC 材料具有 3 倍于 Si 的禁帶寬度，泄漏電流比 Si 器件減少了幾個數(shù)量級，從而可以減少功率器件的功率損耗;關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，可大大提高實際應用的開關(guān)頻率(10 倍于 Si)。

　　SiC 功率器件這些性能，可以滿足電力電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的新要求，其在電動汽車、空間探測、軍工設(shè)備及電力系統(tǒng)等領(lǐng)域有著十分光明的應用前景。迄今為止，SiC 功率開關(guān)器件主要類型有 SiC SBDs(肖特基二極管)、SiC BJTs(雙極型晶體管)、SiC JFETs(結(jié)型場效應管)、SiC MOSFETs(絕緣柵型場效應管)和 SiC IGBTs(絕緣柵雙極晶體管)。其中， SiC SBDs、 SiC MOSFETs 和 SiC JFETs 最具市場競爭力， SiC SBDs 由于具有較小的反向恢復電流和成本適中，已經(jīng)在部分電動汽車變換器中得到了應用。

　　碳化硅器件的發(fā)展歷史：從 SiC 器件出現(xiàn)至今，這種寬禁帶半導體器件已經(jīng)發(fā)展了 20 年，開始逐步進入市場并被工程技術(shù)人員認可。 1992 年，美國北卡州立大學就在全世界首次成功研制阻斷電壓 400 V 的 6H-SiC SBDs， 2001 年 Infineon 生產(chǎn)出全球第一款 SiC SBDs，現(xiàn)已開始商業(yè)化還有 Cree、Microsemi、Rohm 等公司產(chǎn)品。1993 年，首次出現(xiàn)了 SiC MOSFETs 的報導，到 2010 年，已經(jīng)陸續(xù)有 SiC 功率開關(guān)管器件的系列產(chǎn)品成功量產(chǎn)。 2011 年初 Cree 公司終于將 4H-SiC MOSFETs 器件(1 200 V/80 m歐姆)推向市場，耐壓等級分別為 600 V/1 200 V/1 700 V。接著， 2012 年 3 月 Rohm 公司正式推出了備受期待的全碳化硅功率模組，繼而又正式將適用于工業(yè)裝臵的變流器的 SiC MOSFETs 模組(SiC MOSFETs+SiC SBDs，額定規(guī)格 1 200 V/180 A)投入量產(chǎn)。

　　碳化硅功率元件市場在 2016 年正式形成，當前市場約為 2 億美元，未來 10 年將有望超 20 億美元。國際市場調(diào)研機構(gòu) IMS Research 報告顯示，2015 年會是 SiC 發(fā)展的一個拐點，SiC 在功率器件上的應用會起到主導作用。未來的 10 年，這一市場份額將增長 20 倍，其中混合電動汽車、純電動汽車是主要的驅(qū)動力，此外馬達驅(qū)動、風能、太陽能等對 SiC 需求都會快速增長。SiC功率元件市場在 2016年正式形成， 2015 年全球 SiC 功率半導體市場僅為約 2 億美元，規(guī)模尚小，其應用領(lǐng)域也主要在電力供應、太陽能逆變器等領(lǐng)域。而未來，隨著新能源汽車和工業(yè)電機不斷采用 SiC 材料，在未來 10 年的維度內(nèi)，SiC 半導體市場容量有望超過 20 億美元。目前全球 SiC 半導體市場處于絕對領(lǐng)先的企業(yè)是 Cree，占據(jù)了 85%以上的市場份額。

　　SiC 半導體潛在應用領(lǐng)域較為廣泛，對新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和電壓轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都具有重大意義。隨著下游行業(yè)對半導體功率器件輕量化、高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱特性需求的持續(xù)增加，SiC在功率器件中取代 Si 成為行業(yè)發(fā)展的必然。據(jù) Yole Developpement 估計，2013~2022 年間 SiC功率半導體市場規(guī)模的年均復合增速預計將達到 38%。隨著 SiC 產(chǎn)量的快速提升，其生產(chǎn)成本將不斷下降， 優(yōu)異的性能將使得 SiC 在功率器件領(lǐng)域逐步實現(xiàn)對 Si 半導體的替代。

　　碳化硅器件在電動汽車中應用顯著。SiC 器件可以顯著減小電力電子驅(qū)動系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度，使其成為 HEV電力驅(qū)動裝臵中的理想器件，也必將為電動汽車的動力驅(qū)動系統(tǒng)帶來革命性的改變。

　　1)可顯著減小散熱器的體積和成本。理論上，SiC 功率器件可在 175℃結(jié)溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。SiC 功率器件的高導熱性也使風冷在未來的中、大功率電動汽車中成為可能。

　　2) 可以減小功率模塊的體積。由于器件電流密度高(如 Infineon 產(chǎn)品可達 700 A/cm2)，在相同功率等級下，全 SiC 功率模塊 的封裝尺寸顯著小于 Si IGBT 功率模塊。

　　3)可以提高系統(tǒng)效率。與傳統(tǒng)硅 IGBT 相比，SiC 器件的導通電阻較小導通損耗下降;特別是 SiC SBDs，具有較小的反向恢復電流，開關(guān)損耗大幅降低提高。

　　在國家政策支持下，國內(nèi)新能源汽車銷量快速增長。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示， 2015 年累計生產(chǎn)新能源汽車 37.90 萬輛同比增長 4 倍，銷售 33.11 萬輛，同比增長 3.4 倍，在全球新能源汽車超過 50 萬輛的年銷量中，中國市場的貢獻超過一半。政策規(guī)劃 2020 年累計銷量達 500 萬輛，復合增速 50% 以上：《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020 年)》指出 2020 年新能源汽車累計銷量達到 500 萬輛;同時，2015 年國務院下發(fā)《中國制造 2025》明確提出到 2020 年我國自主品牌新能源汽車年銷量突破 100 萬輛，在國內(nèi)市場占 70%以上，新能源汽車銷量達到145 萬輛以上。

　　依據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研情況，在新能源汽車領(lǐng)域，充電樁需要 SiC 功率器件 6 只，單價在 40-80 元，總價值量為 200-500元;新能源汽車大約需要 SiC功率器件 6只，單價在 40-80，總價值量在 500-1000元。按照 2020年，中國新能源汽車年保有量 500 萬量計算，分散式充電樁保有量 480 萬個。到 2020 年僅新能源汽車貢獻的 SIC 潛在市場空間就超過百億元。