同规格碳化硅器件性能优于硅器件

碳化硅衬底依电阻率不同分为导电型和半绝缘型两类，分别外延沉积碳化硅和氮化镓后，用于功率器件和射频器件的制作。

1、 导电型衬底：具有低电阻率（15~30mΩ·cm）的碳化硅衬底。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，制得碳化硅同质外延片，可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT 等功率器件。

2、 半绝缘型衬底：具有高电阻率（≥105Ω·cm）的碳化硅衬底。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成微波射频器件。

光伏逆变器中碳化硅渗透率有望在 2025 年达到 50%

轨道交通中碳化硅渗透率将在 2050 年达到 90%

碳化硅使功率器件突破了传统硅基器件性能的上限，未来具备广阔的市场空间。根据 Yole 报告，2019年全球碳化硅功率器件市场规模为 5.41 亿美元，预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元，年化复合增速约30%。

2019-2025 年碳化硅功率器件市场规模将快速增长（单位：美元）

2、射频器件（军工及通讯领域）

射频器件是无线通信的核心部件，包括射频开关、LNA、功率放大器和滤波器等。其中功率放大器是对信号进行放大的器件，直接影响着基站信号传输距离及信号质量。硅基 LDMOS 器件已经应用多年，但主要应用于 4GHz 以下的低频领域。

5G 通讯高频、高速和高功率的特点对功率放大器性能也提出了更高的要求，碳化硅基氮化镓具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势，成为 5G 移动通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心射频器件，有望替代硅基 LDMOS。 根据 Yole 的预测，2025 年功率在 3W 以上的射频器件中，砷化镓器件市场份额保持不变，碳化硅基氮化镓将替代大部分硅基LDMOS，占市场 50%左右的份额。

不同材料射频器件应用范围对比

碳化硅衬底制备流程

碳化硅晶体生长难度高，工艺是核心。碳化硅性能有明显优势，却始终未能转换成市场规模，最主要的原因是碳化硅衬底制造困难。

与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，碳化硅材料因为一般条件下无法液相生长，只能使用气相生长的方法，如物理气相传输法（PVT）。这也就带来了碳化硅晶体制备的两个难点：

1、 生长条件苛刻，需要在高温下进行。一般而言，碳化硅气相生长温度在 2300℃以上，压力 350MPa，而硅仅需 1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的产品失败。

2、 生长速度慢。PVT 法生长碳化硅的速度缓慢，7 天才能生长 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒。

同时碳化硅材料本身的特性也让晶体生长难度较高，带来了另外两个难点：

3、 材料晶型多样。碳化硅有超过 200 种相似的晶型，需要精确的材料配比、热场控制和经验积累，才能在高温下制备出无缺陷、皆为 4H 晶型的可用碳化硅衬底（其他晶型不可用）。

4、 材料硬度大，后加工困难。碳化硅是硬度仅次于金刚石的材料，晶棒后续的切片、研磨、抛光等工艺的加工难度也显著增加。

在上述技术难点的影响下，能够稳定量产大尺寸碳化硅衬底的企业较少，这也使得碳化硅器件成本较高。

2020 年我国第三代半导体产能统计

碳化硅器件具备足够多的优势，但价格相较于传统硅基器件仍然偏高。从衬底角度来看，受碳化硅生长速度较慢的影响，一片6寸的碳化硅晶圆价格在 1000 美元以上，是同尺寸硅晶圆价格的 20 倍以上。因此衬底占据了碳化硅器件近一半的成本。因此碳化硅价格下降的幅度也会显著影响碳化硅器件替代的速度。

衬底占碳化硅器件成本的近一半

但是，碳化硅器件与传统产品价差正在持续缩小。第三代半导体产业技术创新战略联盟表示，2020 年受疫情影响产品交期有所延长，但碳化硅器件的价格有所下降：

SiC SBD 实际成交价与硅器件价差已经缩小至 2~2.5 倍之间。根据 Mouser 的公开报价，650V 的 SiCSBD 2020 年底的平均价格是 1.58 元/A，较 2019 年底下降了 13.2%。1200V 的 SiC SBD 的平均价是3.83 元/A，较 2019 年下降了 8.6%。据 CASA 调研，实际成交价低于公开报价，基本约为公开报价的60%-70%，较上年下降了 20%-30%，实际成交价与 Si 器件价差已经缩小至 2-2.5 倍之间。

SiC MOSFET 降价明显，与硅器件价差收窄到 2.5~3 倍之间。根据 Mouser 的公开报价，650V、900V、1200V、1700V 的 SiC MOSFET 在 2020 年底的平均价格分别同比下降了 13%、2%、27.62%、33.4%。而从实际成交价格来看，650V、1200V 的 SiC MOSFET 价格较 2019 年下降幅度达 30%-40%，与Si 器件价差也缩小至 2.5~3 倍之间。

价格下降幅度会显著提高碳化硅器件的替代速度，从而反向刺激需求，形成正向循环。目前碳化硅器件价格已经下降到高端新能源车型可以接受的程度，随着晶圆尺寸做大和良率不断提升，未来仍有降本空间，碳化硅功率器件有望逐步向中低端车型渗透。

国内半导体厂商在积极发挥自身优势，大力布局第三代半导体行业。第三代半导体对我国而言意义非凡，是中国大陆半导体（尤其是功率和射频器件）追赶的极佳突破口。碳化硅器件的意义不仅在于其本身的优异性能，其更是会对产业带来全方位的带动，碳化硅有望引领中国半导体进入黄金时代：

1、 在第三代半导体追赶的路上，中国企业受到的阻碍将小于传统硅基领域。在传统的硅基半导体领域，技术进步已经明显放缓，发达国家依靠着数十年的研发和布局，积累了足够多的专利，并掌控着上游关键材料和设备的技术和供应链，占据着对中国半导体进行制裁、发动科技战的主动权。在产业配套全面落后的情况下，中国在硅基半导体领域的替代进程缓慢。

而在第三代半导体产业中，中国企业与海外龙头的差距已经明显缩小，发达国家可以用来制裁和控制中国第三代半导体发展的手段和技术也十分有限，中国企业正迎来追赶和发展的良机。

2、 产业链的配套整合更加充分，为中国半导体企业带来以往不具备的发展机会。以往国内半导体厂商追赶困难另一个原因是没有足够多的试用和上线机会，难以用客户的反馈和问题来正向激励研发。目前来看第三代半导体器件主要的应用领域如新能源车、光伏和高铁等，未来的主战场都集中在中国，国内企业也与国内车企和家电企业等进行了配套和产业合作，国产器件逐渐导入终端产品供应链，为国内企业带来更多试用、改进的机会。

智东西认为，目前，虽然在以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料研究和部署方面，美、日、欧仍处于世界领先地位。由于其未来战略意义，我国早已对宽禁带半导体材料器件研发进行针对性规划和布局，但是近些年的发展似乎差强人意，究其根本，主要原因是高制造成本和低技术成熟度。现在，随着国内企业的技术不断发展和成本的不断下降，中国的第三代半导体材料有望最先实现国产替代。