第三代半導體需求明顯上漲，行業巨頭積極擴產碳化硅功率器件

近日，聚焦SiC產業鏈的三家大廠意法半導體、三菱電機、英飛凌傳來最新消息。意法半導體方面，其將在意大利卡塔尼亞建設世界首個全流程垂直集成的碳化硅（SiC）工廠；三菱電機方面，該公司位于熊本縣正在建設的SiC晶圓廠將提前5個月開始運營；英飛凌方面，則已獲得其位于德國德累斯頓的價值50億歐元的智能功率半導體工廠的最終建設許可，該工廠將按計劃于2026年開始生產。

碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻率、抗輻射等優良電氣特性，突破了硅基半導體材料的物理極限，是第三代半導體的核心材料之一，主要應用領域包括射頻器件、新能源汽車、光伏發電、數據中心、智能電網、軌道交通等。其中新能源汽車和數據中心的應用需求上漲明顯。

新能源汽車方面碳化硅的上車已成為大勢所向，在2024年的意法半導體高層表示，在北京國際汽車展覽會中，配備碳化硅的車型超70款。中國科學院院士郝躍表示，近些年車規級器件的標配是6英寸碳化硅襯底和800伏MOS器件。意法半導體高層則表示，現在的新車，只要能用碳化硅的地方，便不會再用傳統功率器件。


高壓平臺提升零件技術要求，碳化硅功率器件脫穎而出

高壓平臺將給整車零部件系統帶來等多種高難度要求，例如更高絕緣工作電壓等級的承受能力、更低水平的導通損耗等等。因此，電驅系統、車載電源等作為零件系統中的重要部分，需要相應升級以滿足上述要求；而功率器件作為重要組成部分，對于電驅系統、車載電源等部件的升級具有重要影響。

目前，大多數功率模塊采用硅基IGBT技術。但硅基IGBT的功率密度正接近極限，同時隨著整車平臺電壓的提高，硅基IGBT的開關損耗將會加大。在此背景下，碳化硅（SiC）功率器件的應用逐步擴大。相較硅基IGBT，碳化硅器件具備多方面優勢，尤其在電控逆變器、OBC和DC-DC轉換器等應用中優勢明顯。

高壓平臺將會對器件的耐壓等級、導通損耗高低、開關損耗高低等性能提出更高要求，而碳化硅較硅具備多重性能優勢，更能夠滿足高壓平臺的需求。

1）碳化硅的禁帶比硅大3倍，擊穿電場高10倍，較高的擊穿電場使得碳化硅器件具有更薄的漂移層或更高的摻雜濃度，進而具有更低的導通損耗；

2）此外，硅基IGBT因為其擊穿電壓通常為650-750V間，選取的拓撲不完全相同；而由于高擊穿電壓，在高壓應用中使用碳化硅MOSFET可以采用簡化的拓撲，簡化的拓撲結構可以使得組件以及控制算法的設計工作量更少；

3）碳化硅可用于設計如高壓MOSFET等的單極器件，理論上不產生尾電流，而碳化硅MOSFET相比于硅基IGBT擁有更低的開關損耗；

此外，碳化硅器件的芯片面積更小，能夠產生更小的柵極電荷和電容，從而能夠實現更高的開關速度和更低的開關損耗。


SiC功率器件成熱門，吸引雙雄押下重注

根據Yole的預測，SiC功率器件將很快占據整個功率器件市場的30%，到2027年，SiC行業（從襯底到模塊，包括器件）的產值有望超過60億美元。

SiC器件的工作結溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達20kV，這些性能都優于傳統硅器件；碳化硅器件體積可減小到IGBT整機的1/3-1/5，重量可減小到40-60%。

隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。截至2023年上半年，全球已有40款SiC車型進入量產交付，可查到交付數據的SiC車型上半年累計銷售118.7萬輛。

熱門的SiC便吸引了歐洲芯片雙雄意法和英飛凌在其中押下重注。

這些SiC巨頭通過收購、合并等方式不斷擴大自身規模，實現了SiC全產業鏈的布局，并在全球范圍內掌握了SiC技術的核心競爭力。Yole估計，將有數十億美元投資于晶體和晶圓制造以及設備加工，到2027年市場潛力將達到60億美元，高于2021年的約10億美元。

高質量國產替代，才是本土SiC器件的出路

雖然市場產銷兩旺，但是我國碳化硅功率器件仍處于早期階段，在技術成熟度、穩定量產能力、產業鏈配套等方面與海外還存在較大差距，尤其是電動汽車主驅用碳化硅功率器件，現階段完全依賴進口。

究其背后原因，高巍博士分析到，“一是新能源汽車應用涉及生命財產安全，對SiC器件的可靠性、工藝等方面都有著高要求；第二點是新能源汽車對功率器件要求的壽命是15至20年，技術門檻高；第三點是對器件質量要求很高，器件ppm級的低失效率保障；第四點，則是和公司的可靠性要求有關，高質量、長時間、穩定供給的器件設計公司，是獲得車廠信任的保證。”

而針對車載應用的高可靠性要求，SiC功率器件目前面臨著一系列挑戰：一是良率保證和設計工藝保證，這是基礎；第二點是所有器件必須滿足AEC-Q101基本保障；第三點是器件廠商的質量管理體系保證；最后是供應鏈體系的保證，只有具備穩定的供應鏈保證，車廠才會選擇合作。

針對上述挑戰，高巍博士從蓉矽半導體出發，分享了蓉矽半導體在良率保證、設計工藝保證等角度的舉措，闡述如何解決功率器件的高可靠性問題。

第一，高良率是高可靠性的保證。“一個產品要做到高良率，離不開設計、材料、工藝這三要素。”高巍博士表示，“設計方面，蓉矽半導體從設計階段就引入了DFR的觀念，設計之初就考慮到產品的可靠性，并把可靠性觀念貫穿產品的整個生命周期；材料方面，高品質、低缺陷材料的選擇是良率的保障；工藝方面，作為設計公司，由于沒有自己的Fab，需要將所有工藝委外于Foundry，因此選擇具備成熟平臺和穩定工程管控的Foundry，是高良率的重要保證。”

第二，柵氧的高可靠性保證。高巍博士從高頻開關下的柵壓過沖問題、柵氧化層失效機理等角度進行了說明。相對于傳統硅器件，碳化硅MOSFET結構更加脆弱，其偶發失效率遠高于同規格的硅基MOSFET，而柵氧是導致碳化硅失效一個特別重要也特別常見的失效現象，主要失效類型包括低勢壘導致的隧穿加劇、陷阱造成的TAT的加劇以及工藝制程中帶來的外部缺陷。

因此，SiC MOSFET的柵氧可靠性問題成為了制約其快速發展的因素之一，器件柵氧介質可靠性提升也是碳化硅功率MOSFET器件實現新能源汽車應用面臨的重要瓶頸。

為發展我國半導體產業的自主可控，國家宏觀到微觀層面先后出臺了大量支持政策與規劃，促進國內企業在半導體設備、材料、設計等各個細分領域的重點突破。同時，數千億規模的國家集成電路產業投資基金對半導體產品的生產與設計、下游應用領域的重點企業提供了有力的資金支持。目前我國完善的基建配套、巨大的工程技術人員規模和市場容量已經培育出了在細分領域具有國際競爭力的半導體產品制造企業。半導體產業是資金密集、技術密集和人才密集的產業，國內半導體企業在政策引導、資金支持下，產能規模和制造技術均能保持穩定發展，半導體產業鏈實現進口替代的趨勢不可逆轉。