半导体行业是碳化硅材料发展潜力最大和产业附加值最高的应用方向。
二十世纪九十年代以来，美、日、欧和其他发达国家为了保持航天、军事和技术上的优势，将发展碳化硅半导体技术放在极其重要的战略地位，相继投入了大量的人力和资金对碳化硅材料和器件技术进行了广泛深入的研究，旨在提升其装备系统的能力和减小组件的体积，目前已经取得了重大的突破。
一、碳化硅概述
碳化硅（SiC）又叫金刚砂，密度是3.2g/cm3，天然碳化硅非常罕见，主要通过人工合成。按晶体结构的不同分类，碳化硅可分为两大类：αSiC和βSiC。
碳化硅材料具有优良的热力学和电化学性能。
在热力学方面，碳化硅硬度在20℃时高达莫氏9.2-9.3，是最硬的物质之一，可以用于切割红宝石；导热率超过金属铜，是Si的3倍、GaAs的8-10倍，且其热稳定性高，在常压下不可能被熔化；
在电化学方面，碳化硅具有宽禁带、耐击穿的特点，其禁带宽度是Si的3倍，击穿电场为Si的10倍；且其耐腐蚀性极强，在常温下可以免疫目前已知的所有腐蚀剂。
二、碳化硅半导体产业链
半导体材料是碳化硅最具前景的应用领域之一，碳化硅是目前发展最成熟的第三代半导体材料。随着生产成本的降低，SiC半导体正在逐步取代一、二代半导体。
碳化硅半导体产业链主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装和终端应用等环节。
1.碳化硅高纯粉料
碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料，其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。
碳化硅粉料有多种合成方式，主要有固相法、液相法和气相法3种。其中，固相法包括碳热还原法、自蔓延高温合成法和机械粉碎法；液相法包括溶胶-凝胶法和聚合物热分解法；气相法包括化学气相沉积法、等离子体法和激光诱导法等。
2.单晶衬底
单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长，也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型的环节。
目前，SiC单晶生长方法有物理气相传输法（PVT法）、液相法（LPE法）、高温化学气相沉积法（HTCVD法）等。
3.外延片
碳化硅外延片，是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底，包括GaN外延层的衬底。
目前，碳化硅单晶衬底上的SiC薄膜制备主要有化学气相淀积法（CVD）、液相法（LPE）、升华法、溅射法、MBE法等多种方法。
4.功率器件
采用碳化硅材料制造的宽禁带功率器件，具有耐高温、高频、高效的特性。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管。SiC功率器件与硅基功率器件一样，均采用微电子工艺加工而成。
从碳化硅晶体材料来看，4H-SiC和6H-SiC在半导体领域的应用最广，其中4H-SiC主要用于制备高频、高温、大功率器件，而6H-SiC主要用于生产光电子领域的功率器件。
5.模块封装
目前，量产阶段的相关功率器件封装类型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二极管的常用封装类型以TO220为主，碳化硅MOSFET的常用封装类型以TO247-3为主，少数采用TO247-4、D2PAK等新型封装方式。
6.终端应用
在第三代半导体应用中，碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补，氮化镓半导体材料的市场应用领域集中在1000V以下，偏向中低电压范围，目前商业碳化硅半导体产品电压等级为600~1700V。
由于SiC器件高转换效率、低发热特性和轻量化等优势，下游行业需求持续增加，有取代SiO2器件的趋势。
三、市场应用与预测
碳化硅半导体的应用
众所周知，碳化硅半导体功率器件可以应用在新能源领域。“现在我们新能源汽车所用的电可能还有煤电，未来光伏发电就会占有更多比重，甚至全部使用光伏发电。”中科院院士欧阳明高曾在一次讨论会上这样说过，光伏需要新能源汽车来消费储能，而新能源汽车也需要完全的可再生能源。
下一步两者的结合将形成新的增长点。在欧阳院士提到的三种主要应用“光伏逆变器+储能装置+新能源汽车”中，碳化硅（SiC）MOSFET功率器件都是不可或缺的重要半导体器件。
1.光伏逆变器
国内著名光伏逆变器公司合肥阳光电源在2018年累计出货了超过15万台使用碳化硅功率器件的光伏设备，其中已经累计使用超过150万颗碳化硅功率器件。明确指出，使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗，显著提高开关频率，得到更高的效率和功率密度，并有效降低系统成本和运维成本。
2.充电桩
这里主要是指大功率直流充电桩，国内目前通常是60kW功率等级。国际著名电源模块公司台达电源，在某论坛上曾介绍了电动汽车的充电场景，并表示基于英飞凌碳化硅模块easy1B和2B的基础上，提出自有的多种应用拓扑图模式，成功地为欧盟350kW大功率充电站提供了全面解决方案。
3.新能源汽车
车载充电器：这里主要是指小功率交流充电器，输入电压为AC220V。目前国内该行业龙头企业比亚迪和欣锐科技都已经使用了碳化硅功率器件，并且取得了良好的产品性能和市场影响力。
电机驱动控制器：自从国际著名汽车公司日本丰田公司宣布与日本电装株式会社（DENSO）合作开发了全球第一款全碳化硅功率器件的电机驱动控制器后，国际国内相关企业都开展了深入的研究。美国著名公司特斯拉Tesla宣布在他的Model3车型使用了碳化硅功率器件的电机驱动控制器。
4.智能电网
在高压电网传输过程中，通常会采用3kV以上功率器件，例如硅IGBT或者碳化硅MOSFET。美国University of Arkansas教授Alan Mantooth研究指出，可以采用多颗1200VMOSFET串联起来的拓扑图应用方案用于承受10kV高电压。
碳化硅半导体市场预测
导通型碳化硅单晶衬底材料是制造碳化硅功率半导体器件的基材。根据Yolo公司统计，2017年4英寸碳化硅晶圆市场接近10万片；6英寸碳化硅晶圆供货约1.5万片；预计到2020年，4英寸碳化硅晶圆的市场需求保持在10万片左右，单价将降低25%，6英寸碳化硅晶圆的市场需求将超过8万片。
半绝缘衬底具备高电阻的同时可以承受更高的频率，因此在5G通讯和新一代智能互联，传感感应器件上具备广阔的应用空间。当前主流半绝缘衬底的产品以4英寸为主。
2017年，全球半绝缘衬底的市场需求约4万片。预计到2020年，4英寸半绝缘衬底的市场保持在4万片，而6英寸半绝缘衬底的市场迅速提升至4~5万片。
随着国际上碳化硅功率器件技术的进步和制造工艺从4英寸升级到6英寸，器件产业化水平不断提高，碳化硅功率器件的成本迅速下降。2017年全球碳化硅功率器件（主要是SiCJBS和MOSFET）的市场接近17亿元人民币。
Yole公司预测，2017~2020年，碳化硅器件的复合年均增长率超过28%，到2020年市场规模达到35亿元人民币，并以超过40%的复合年均增长率继续快速增长。预计到2025年，全球碳化硅功率器件市场规模将超过150亿元人民币，到2030年，全球碳化硅功率器件市场规模将超过500亿元人民币。
国内碳化硅器件的市场约占国际市场的40%~50%。
结语
碳化硅作为半导体材料发展潜力巨大，且目前正处在行业发展的初期，不管是理论研究，还是产业应用都具有广阔空间。因此，开发碳化硅在半导体领域的全部价值是实现快速发展的关键。你对此有什么看法吗？欢迎转发朋友圈，留下你的看法。
参考来源
杨玺等.简析碳化硅在半导体行业中的发展潜力
曹峻.碳化硅半导体技术和市场应用综述
葛海波等.碳化硅半导体技术及产业发展现状
中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟
