下游市场提振，碳化硅技术已成新能源时代超强风口
随着新能源汽车、光伏、风电、充电桩、智能电网等能源行业，以及航空航天、轨道交通、高端装备等领域的快速发展，催生了对电力电子器件更高性能的要求。传统硅基功率器件受材料特性限制已达到理论极限，第三代半导体——碳化硅则能够替代传统硅材料，满足更高性能要求，将在众多前沿领域获得广泛应用！
图1：SiC功率器件应用场景
来源：东兴研究所、DT新材料
1.SiC功率器件研产进展
基于碳化硅制备的宽禁带功率器件，具有耐高温、高频、高效等特性。按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关，其中：碳化硅功率二极管包括肖特基二极管（SBD）、PiN二极管以及结势垒肖特基二极管（JBS），目前商业化较为成熟的主要是SiC SBD：SiC 功率开关主要有单极型晶体管和双极型晶体管两种类型，分别主要适用于1~15kV以及大于15kV的应用场合，其中单极型晶体管主要包含MOSFET、JFET和SIT，目前商业化的主要是SiC MOSFET和SiC JFET；双极型晶体管则主要包含BJT、IGBT、GTO和ETO，其中SiC BJT已实现商业化生产。
早在2001年，德国英飞凌就成功推出了世界首款SiC商用器件——SiC SBD，随后美国CREE，意法半导体，以及日本罗姆、瑞萨等厂商也相继推出了SiC功率器件产品。目前SiC SBD已形成稳定的产品系列，比如 600V、1 200V以及1700V规格。与Si基二极管相比，SiC SBD具有较高阻断电压、无反向恢复及更好的热稳定性等特点。除了采用分立封装的SiC SBD外，SiC SBD还可被用作续流二极管并与Si IGBT或Si MOSFET进行集成封装进而制备Si/SiC混合功率模块,被认为是综合器件性能和材料成本的折中优化方案。
图2：SiC SBD相较传统Si SBD优势
来源：ROHM，DT新材料
SiC PiN二极管因电导调制作用而具有更高的击穿电压和更低的反向泄漏电流，相较肖特基二极管更适用于高压范围。在10~20kV的高电压等级下，SiC PiN二极管与SiC SBD与SiC JBS相比在导通压降、开关损耗与高温性能等方面优势明显。此外，超高压SiC PiN二极管与10~15kV SiC开关器件配合在电力系统超高压功率变换器中具有巨大应用前景。目前Genesic公司开发了15kV 4H-SiC PiN二极管。而国内方面，近年来电子科技大学和中电科55所报道了击穿电压达4.5kV的SiC PiN二极管。
SiC JBS二极管则结合了SiC SBD拥有的小开启电压、大导通电流、快开关速度，以及SiC PiN低漏电流、高击穿电压的特点，另将JBS二极管结构参数与制造工艺进行调整就可形成PiN-肖特基结二极管（MPS）。目前国内部分厂商已经开发了SiC JBS相关产品，比如基本半导体，扬杰科技，华润微，森国科等。
SiC MOSFET具有优异的栅极绝缘特性、高开关速度、低开关损耗、低导通电阻和较好的高温稳定性，拥有替代Si IGBT的潜力，是目前最受关注的SiC功率器件之一。目前已有750V、900V、1000V、1200V、1700V、3300V的SiC MOSFET商业化生产，其中1200V电压等级的SiC MOSFET相对较为成熟。600V以下电压范围，SiC MOSFET与CoolMOS相比优势并不明显，所以市面上几乎没有该范围内的产品；600~900V电压范围，SiC MOSFET与目前主流产品CoolMOS形成竞争，其主要优势在于芯片面积小、体二极管的反向恢复损耗小；而在更高电压等级的中大功率应用场景，目前主要采用的是Si IGBT，SiC MOSFET则可以完美进行替代，因其能够明显降低开关损耗，减小散热器体积与质量，且SiC MOSFET可在Si IGBT无法进行工作的高频下进行工作，从而进一步降低了电抗元件的体积与质量，有助于整机实现更高的功率密度。下图中我们可以看到，在电动车不同工况下，SiC MOSFET相较Si IGBT可带来功耗降低60~80%，效率提升1~3%，由此可带来电动车续航能力提升约10%，实现PCU体积的减小以及系统成本的下降。
图3：不同工况测试下SiC MOSFET与Si IGBT功耗对比
来源：中信证券，DT新材料
图4：不同工况测试下SiC MOSFET与Si IGBT效率对比
来源：中信证券，DT新材料
图5：SiC SBD相较传统Si功率器件的优势
SiC JFET根据栅压为零时的沟道状态可分为耗尽型与增强型两大类，其中耗尽型SiC JEFT具有更低的导通电阻与更小的结电容，在高电压等级应用场景中能获取更高的效率。耗尽型SiC JFET可与低压Si MOSFET联合使用形成组合开关器件Cascode SiC JFET，同时具有Si MOSFET的优点（可靠的MOS栅与易实现的栅极驱动）和SiC JFET 高压、高速、高温的工作性能。对于更高电压等级的应用场景，通过串联更多SiC JFET实现的“超级Cascode”可提供高达几kV的电压额定值。SiC JFET目前能够实现先进的开关性能和接近理想的电流限制和保护，备受市场关注，Infineon、UnitedSiC、Semisouth等企业都推出了商业SiC JFET系列器件产品。
图6：带有Si-MOSFET的Cascode SiC JFET
SiC BJT是最具吸引力的SiC 开关结构之一，具有很低的导通压降、较快的开关速度且受温度影响较小，工作频率可达数十兆赫兹，而且不存在传统Si BJT的二次击穿问题，可实现器件可靠工作。目前以GeneSiC为代表的企业采用先进封装工艺开发了具有250℃以上高温工作能力和优越电气性能的SiC BJT，应用于功率电子电路可显著提高整机效率，缩小系统尺寸，减少元件数，降低系统成本，减轻散热负担。此外，GeneSiC在其研制的SiC BJT单管基础上利用并联技术开发了SiC BJT功率模块，可与Si MOSFET、Si IGBT模块驱动芯片兼容，具有损耗低体积小的优点，可广泛用于混合动力汽车、开关电源、UPS、电机驱动等众多场景。
Si IGBT因具有简单的栅极驱动方式和较大的电流处理能力，是目前中压领域的主流选择，目前商用的Si IGBT受体积与散热等问题限制，最高耐压仅为6.5kV，而SiC IGBT则可拥有更高的耐压能力，比如Wolfspeed与Powerex联合研制了15kV/20A的N沟道SiC IGBT模块。但目前SiC IGBT仍处于研究阶段，亟待突破大尺寸、高质量SiC衬底材料，低缺陷密度外延生长工艺，先进封装工艺，以及结端扩展（JTE）和场限环（FLRs）终端工艺等以实现高性能SiC IGBT的制备。
2.下游市场提振叠加材料成本下降，SiC功率器件已进入“大蓝海时代”。
随着新能源汽车、光伏、风电、充电桩等领域的快速发展，为SiC功率器件带来了巨大的市场应用需求。此外，基于我们之前梳理的近30家国内碳化硅衬底企业的研产进展，预测未来几年，碳化硅衬底产能大规模释放或将带来材料端成本的下降，进而加速推动SiC功率器件在各领域的加速渗透。根据Yole预测，2018-2024年，全球SiC功率器件市场规模将由4.20亿美元增长至19.29亿美元，CAGR高达29%，其中电动汽车市场是最大驱动力，预计2024年消费占比将达到49%（包括OBC、逆变器、DC/DC、充电桩等应用）。
图7：2018-2024年全球SiC功率器件市场规模及细分情况
来源：Yole，DT新材料
3.SiC功率器件行业竞争格局
由于功率器件电路构造相对集成电路来说较为简单，并没有形成类似集成电路行业设计与制造相分割的局面，业内大部分企业主要采取IDM模式，比如英飞凌，安森美、意法半导体、瑞萨、罗姆等，而且IDM模式可将各环节的成本压至最低而获取高利润。国内企业也同样以IDM模式为主，比如华润微、泰科天润、士兰微、扬杰科技、基本半导体等。
从全球碳化硅产业参与者来看，以CREE和罗姆为代表的企业实现了从碳化硅衬底、外延、设计、器件及模块制造的全产业链布局，实力较为强劲；国内同样实现碳化硅全产业链的企业则主要有三安光电和世纪金光。
图8：国内SiC功率器件代表企业
来源：DT新材料