新材料正在重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭新格局。業(yè)內(nèi)人士希望到2025年，碳化硅的供應(yīng)商有足夠的產(chǎn)能，否則這個(gè)行業(yè)或許會(huì)面臨供需不平衡問題。雖然市場空間巨大，但其大規(guī)模商用仍需跨越多個(gè)方面的關(guān)卡。

在“新基建”和“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正加速發(fā)展，有望成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱，引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命。

而以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體，也是支撐新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，在電機(jī)控制器、車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等零部件中發(fā)揮重要的作用。雖然其在汽車行業(yè)大規(guī)模普及尚待時(shí)日，但國內(nèi)外企業(yè)瞄準(zhǔn)第三代半導(dǎo)體的競爭已經(jīng)開啟。

第三代半導(dǎo)體處在黃金賽道

從上世紀(jì)90年代才真正起步，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可謂一直在“自主可控”的道路上奮進(jìn)。隨著第三代半導(dǎo)體嶄露頭角，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也迎來了新的發(fā)展契機(jī)。更為重要的是，我國正處在碳達(dá)峰階段，并將逐步過渡到碳中和時(shí)代，汽車領(lǐng)域的電氣化必將為其提供有力支撐。

從半導(dǎo)體的發(fā)展歷史看，硅、鍺為第一代半導(dǎo)體;砷化鎵、磷化銦為第二代半導(dǎo)體的代表;發(fā)展到第三代半導(dǎo)體，涌現(xiàn)出碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料。其中，碳化硅、氮化鎵目前是技術(shù)相對成熟的材料。

在電力電子領(lǐng)域，電力供應(yīng)與傳輸?shù)拈_和關(guān)，可以用半導(dǎo)體的導(dǎo)電和不導(dǎo)電來實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)。而功率半導(dǎo)體，正是第三代半導(dǎo)體的主要用武之地。據(jù)悉，第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場景通常為高溫、高壓、高功率場景，器件需要具有較好的耐高溫和散熱性能，以保證其工作壽命。第三代半導(dǎo)體主要應(yīng)用于功率器件和射頻器件。從應(yīng)用場景來看，碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景，應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域，氮化鎵器件更適合高頻情況，應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。

業(yè)界普遍認(rèn)為，碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料的代表，也是未來能源、交通、制造等領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。碳化硅的熱導(dǎo)率約是氮化鎵熱導(dǎo)率的3倍，具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，器件壽命更長，可靠性更高，系統(tǒng)所需的散熱系統(tǒng)更小。

當(dāng)前，第三代半導(dǎo)體正處于快速發(fā)展的黃金賽道。2020年，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)電力電子和射頻電子總產(chǎn)值超過100億元，同比增長69.5%。其中，碳化硅、氮化鎵電力電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá)44.7億元，同比增長54%。

從第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來看，全球市場基本形成了美國、歐洲、日本企業(yè)三足鼎立的態(tài)勢。雖然與國際巨頭仍有一定差距，但隨著下游市場的需求拉動(dòng)，我國企業(yè)也開始奮起直追。

“新材料正在重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭新格局。”第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長吳玲說道。

新能源汽車或是主力市場

碳化硅功率器件被廣泛應(yīng)用于新能源汽車中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車載充電機(jī)和充電樁等，以及光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域。受益于新能源汽車推廣，碳化硅功率器件市場有望迎來快速增長。資料顯示，到2025年，新能源汽車與充電樁領(lǐng)域的碳化硅市場將達(dá)17.78億美元(約合人民幣116.81億元)，約占碳化硅總市場規(guī)模的七成。

“希望到2025年，碳化硅的供應(yīng)商有足夠的產(chǎn)能，否則這個(gè)行業(yè)或許會(huì)面臨供需不平衡問題。”半導(dǎo)體研究咨詢公司Yole功率與無線部門總監(jiān)克萊爾·特勞德克指出，碳化硅模塊在IGBT市場的應(yīng)用不斷增長，碳化硅技術(shù)及基礎(chǔ)器件未來發(fā)展空間巨大，這也是越來越多企業(yè)在這個(gè)領(lǐng)域加大投入的原因。

北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司副總經(jīng)理劉春俊表示，由于碳化硅具有開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小的優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)新能源汽車電機(jī)控制器功率密度提升的關(guān)鍵要素。事實(shí)上，行業(yè)人士已形成共識(shí)，第三代半導(dǎo)體碳化硅的普及和應(yīng)用是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

據(jù)記者了解，采用碳化硅器件的電驅(qū)系統(tǒng)，體積可減小40%，重量可減輕30%，效率可提升10%。同時(shí)，碳化硅器件的能量損失更小。相較于硅基IGBT，采用碳化硅MOSFET的電動(dòng)汽車，續(xù)駛里程更長，可增加5%～10%，因?yàn)闇p少能量損耗能夠直接提高車輛續(xù)駛里程。

得益于碳化硅材料的獨(dú)特優(yōu)勢，近年來，產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)紛紛對此展開布局。當(dāng)前，碳化硅二極管和MOSFET管器件在新能源汽車的車載電源系統(tǒng)上已獲得應(yīng)用，而行業(yè)也在期待碳化硅功率模塊在新能源汽車上全面替代硅基IGBT模塊。

特勞德克介紹稱，目前碳化硅市場占比不足4%，但到2026年前后，這個(gè)數(shù)字有望增至30%，氮化鎵占比或達(dá)5%，碳化硅和氮化鎵在今后的功率半導(dǎo)體市場會(huì)有更多的增長機(jī)會(huì)。

此外，儲(chǔ)能市場也是碳化硅應(yīng)用的重要領(lǐng)域。根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用碳化硅功率器件可使轉(zhuǎn)換效率從96%提高至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。

深圳古瑞瓦特新能源有限公司副總經(jīng)理兼研發(fā)總監(jiān)吳良材表示，發(fā)展家庭能源系統(tǒng)在歐美市場是比較流行的一個(gè)趨勢。整個(gè)家庭中的能源由光伏提供，包含光伏儲(chǔ)能與電動(dòng)汽車。碳化硅高導(dǎo)熱性、高耐溫性、寬禁帶和高擊穿場強(qiáng)的性能非常適合這一場景應(yīng)用。事實(shí)上，特斯拉就已構(gòu)建一個(gè)以太陽能屋頂系統(tǒng)和Powerwall為核心的能源系統(tǒng)，其投建光儲(chǔ)充一體化超級充電站工作原理是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并通過Powerwall存儲(chǔ)相關(guān)能量，并將這些電能再以充電的形式補(bǔ)給電動(dòng)汽車，由此形成一個(gè)能量使用的閉環(huán)。

全產(chǎn)業(yè)鏈布局競爭暗流涌動(dòng)

當(dāng)前，全球多個(gè)國家和地區(qū)對碳化硅的發(fā)展都有比較明確的產(chǎn)業(yè)政策，企業(yè)間的競爭也不斷加速。目前，碳化硅器件市場的頭部企業(yè)包括意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆半導(dǎo)體、英飛凌、艾森美、三菱電機(jī)等。這些企業(yè)對于碳化硅板塊未來的預(yù)期都非常高。

一些整車企業(yè)在碳化硅的應(yīng)用上也較為積極。特斯拉是率先使用碳化硅功率器件的車企，其Model 3、Model Y采用意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET模塊，顯著提升了車輛續(xù)駛里程和其他性能。2020年，比亞迪高端車型“漢”也配裝碳化硅功率模塊。比亞迪預(yù)計(jì)到2023年，將在旗下電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)碳化硅器件對硅基IGBT器件的全面替代。

據(jù)悉，不少車企已將碳化硅電機(jī)控制器列入新項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃。小鵬汽車、蔚來汽車都官宣，要使用碳化硅的工藝器件模塊。此外，豐田、大眾、北汽、一汽、理想汽車業(yè)都有使用碳化硅工藝器件的計(jì)劃。

在劉春俊看來，國際上碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈已完全成熟，中國的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展比較快，目前形成了完全的產(chǎn)業(yè)鏈，從襯底-外延-器件-應(yīng)用，我國企業(yè)都占據(jù)了一定的市場份額和地位。

以英飛凌的IGBT為例，國內(nèi)企業(yè)的IGBT產(chǎn)品與之相比至少還有兩代以上的差距，約為8～10年。因此，國內(nèi)碳化硅企業(yè)肩負(fù)著攻克“卡脖子”技術(shù)的使命。

有業(yè)內(nèi)人士對記者表示，國內(nèi)外約有碳化硅器件企業(yè)20多家，能夠供應(yīng)碳化硅MOSFET的企業(yè)也不斷出現(xiàn)。自主碳化硅器件與碳化硅電機(jī)的商業(yè)化落地，不僅意味著新技術(shù)的飛躍，而且將進(jìn)一步打破IGBT被外資企業(yè)壟斷的局面。

據(jù)劉春俊介紹，天科合達(dá)半導(dǎo)體完成了6英寸導(dǎo)電型和半圓型碳化硅襯底的產(chǎn)業(yè)化，“未來5年，6英寸產(chǎn)品將是市場的主流，8英寸產(chǎn)品也在逐步量產(chǎn)，我們計(jì)劃明年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其他家也在積極做量產(chǎn)的準(zhǔn)備。”

“隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，未來碳化硅將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。”南京大學(xué)教授李哲洋稱，碳化硅芯片在較高的溫度下工作，同時(shí)擁有低的損耗(導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗)，系統(tǒng)集成的時(shí)候使用較小的冷卻系統(tǒng)，在提高效率的同時(shí)系統(tǒng)耗損減少，適用于新能源汽車快充。

產(chǎn)業(yè)化仍需跨越諸多挑戰(zhàn)

“十四五”規(guī)劃指出，要推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。我國也陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策，為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供支持。

近日，北京市印發(fā)《北京市“十四五”時(shí)期國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)規(guī)劃》，提出支持開展關(guān)鍵新材料“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)，搭建硅基光電子、第三代半導(dǎo)體器件等重點(diǎn)領(lǐng)域共性技術(shù)平臺(tái)，加速技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程;圍繞碳化硅、氮化鎵等高品質(zhì)材料、器件、核心設(shè)備，打造第三代半導(dǎo)體高端產(chǎn)業(yè)鏈。

今年3月，科技部正式批復(fù)了《支持廣東省建設(shè)國家第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新中心》，支持設(shè)置深圳平臺(tái)，聚焦第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵核心技術(shù)和重大應(yīng)用突破，統(tǒng)籌全國優(yōu)勢力量為第三代半導(dǎo)體提供源頭技術(shù)供給，推動(dòng)我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力整體躍升。

基本半導(dǎo)體汽車行業(yè)總監(jiān)文宇對記者表示，新能源汽車的快速增長將極大地提升碳化硅功率模塊的需求，預(yù)計(jì)行業(yè)將在2023年迎來碳化硅電機(jī)控制器的量產(chǎn)爆發(fā)。

根據(jù)Yole公司的研究，2018年碳化硅功率器件市場規(guī)模約4億美元，2024年這個(gè)數(shù)字將增至50億美元，年復(fù)合增速約51%，而2027年碳化硅功率器件市場規(guī)模有望達(dá)到172億美元。雖然市場空間巨大，但碳化硅的大規(guī)模商用仍需跨越多個(gè)方面的關(guān)卡。

“成本一直是碳化硅器件應(yīng)用的一只攔路虎。”李哲洋介紹稱，目前有幾個(gè)途徑可降低成本，一是擴(kuò)產(chǎn)，幾家大型供應(yīng)商進(jìn)行了較大規(guī)模的擴(kuò)產(chǎn)，并進(jìn)一步加大相關(guān)投入;二是技術(shù)創(chuàng)新，例如豐田采用表面納米工藝，實(shí)現(xiàn)了零缺陷的6英寸襯底，從而大大提高了其使用效率，日本住友通過溶液單晶生長方法，最近獲得了了使用面積高達(dá)99%的6英寸襯底，生長速率達(dá)到了2毫米/小時(shí)。

此外，碳化硅產(chǎn)品還面臨可靠性和應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。據(jù)悉，目前掌握MOSFET氧化層核心技術(shù)的公司較少;針對一些應(yīng)用場景，碳化硅的解決方案設(shè)計(jì)難度增加;新冠肺炎疫情的反復(fù)降低了工作效率。

業(yè)內(nèi)人士告訴記者，碳化硅良品率提升是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，碳化硅長晶技術(shù)難度較高，良品率提升困難，如果碳化硅生產(chǎn)良品率不及預(yù)期，第三代半導(dǎo)體應(yīng)用普及速度面臨挑戰(zhàn)。

劉春俊稱，碳化硅未來將朝著大尺寸特別是8英寸發(fā)展，此外會(huì)不斷降低成本，并減小缺陷密度，提供高質(zhì)量產(chǎn)品。

“從系統(tǒng)集成的角度，如何平衡碳化硅產(chǎn)品的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)以及成本問題，是產(chǎn)業(yè)界需要共同探討和解決的問題。”采埃孚(中國)投資有限公司電控開發(fā)高級經(jīng)理魏俊生指出，“這些方面其實(shí)是相輔相成的，通過更好的系統(tǒng)集成和更好的產(chǎn)品應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)器件成本的優(yōu)化。”