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碳化硅,半导体行业发展新契机
作者:admin    发布日期:2020/8/4     关注次数:     二维码分享

碳化硅材料是功率半导体行业主要进步发展方向,用于制作功率器件,可显著提高电能利用率。可预见的未来内,新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。特斯拉作为技术先驱,已率先在Model 3中集成全碳化硅模块,其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。随着大同碳化硅器件制造成本的日渐降低、工艺技术的逐步成熟,碳化硅功率器件行业未来可期。

行业介绍及市场现状:碳化硅半导体的技术优势突出,目前渗透率尚低。

功率半导体(又称电力电子器件)用于电能转换、控制电流控制,是电力电子系统的关键部件,应用于电源、电机控制、可再生能源、电力传输、动力牵引等输变电和用电场景。

2019年,全球功率器件市场规模约为400亿美元,过去5年平均复合增长率5.1%。其中,中国是的市场,占比近40%。

数据来源:IHS Markit


碳化硅选择

功率器件使用的半导体材料分为三代:

一代半导体材料为硅(Si)、锗(Ge)等单质材料。由于工艺成熟及生产成本低,硅占据95%以上的半导体器件,是当今半导体材料的主体;

二代半导体材料为砷化镓(GaAs)等化合物材料。砷化镓半导体的电子迁移率高、禁带宽度比硅大,具备高耐压、高频率等优势,但也有机械强度弱、高温下易分解、生长速度慢、价格昂贵等劣势,目前主要应用于LED等光电子领域;

三代半导体材料为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带材料。

提高能源利用效率(减少能量消耗和损耗)是功率半导体技术进步的主要方向。理想目标是,功率半导体在导通状态下没有任何功率消耗,在关断状态下也没有漏电流。现今,根据IEA的报告,世界电能损耗占总电能量的20%,无论从经济效益还是环境保护的角度来看,都是了浪费。然而,以传统硅材料制作的功率半导体器件,电能变换效率已达理论限制。

以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料应用而生,已成为功率半导体下一代技术演进方向。根据中国第三代半导体产业技术创新战略联盟,第三代半导体材料的性能优势包括:高电子漂移速度,可减少电能转换功耗,提高能源利用效率;禁带宽度高,临界击穿电压大,减少高压运行条件系统所需器件数量,促进系统小型化、轻量化;高热导率,减少所需冷却系统。

数据来源:第三代半导体产业技术创新战略联盟《第三代半导体电力电子技术路线图》

与氮化镓相比,碳化硅更适合在1,000V以上的电力系统中应用,包括电动汽车、充电桩、新能源发电装置、高铁动力牵引等中高压场景。氮化镓器件使用硅材料衬底的技术成熟后,相对使用同质衬底的碳化硅器件,更具成本优势。未来在中低压场景,碳化硅与氮化镓材料制作的器件会有所竞争。

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