當(dāng)前全球碳化硅行業(yè)正處于高速增長階段，碳化硅功率器件市場規(guī)模在不斷擴(kuò)大，碳化硅材料的優(yōu)異性能，比如耐高溫、高頻、大功率等，使其在新能源汽車、光伏、5G通信、工業(yè)及國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了市場的快速增長。

1、定義與特性

碳化硅（SiC）是一種由碳和硅原子以共價(jià)鍵形式連接形成的化合物，分子式為 SiC。其晶體結(jié)構(gòu)主要分為 α-SiC（六方或菱面體結(jié)構(gòu)）和 β-SiC（閃鋅礦型立方結(jié)構(gòu)），β-SiC 在 2100℃以上時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?α-SiC。碳化硅具有眾多卓越的物理化學(xué)特性，其硬度極高，莫氏硬度在 9.2-9.8 之間，僅次于金剛石，這使得它在磨料、切削工具等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用；導(dǎo)熱性良好，熱導(dǎo)率高于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料硅，有助于器件散熱，提升穩(wěn)定性和可靠性；具有一定導(dǎo)電性，其電阻溫度特性與金屬相反，高純度碳化硅的電阻率隨溫度升高而下降，含雜質(zhì)碳化硅的導(dǎo)電性能則與雜質(zhì)種類相關(guān)；化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，在空氣中 800℃時(shí)開始緩慢氧化，1600℃左右氧化作用幾乎停滯，因?yàn)樯傻亩趸鑼幽芷鸬奖Ｗo(hù)作用，且對(duì)酸、堿及氧化物有一定抵抗力；機(jī)械強(qiáng)度高，具有耐磨、抗沖擊等特性，能在惡劣環(huán)境下保持性能穩(wěn)定。

作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅與第一代半導(dǎo)體材料硅和第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵相比，具有更寬的禁帶寬度（約為 3.2eV，硅為 1.12eV），可承受更高的電壓，能在高溫、高壓、高頻、大功率、抗輻射等極端條件下穩(wěn)定工作，適用于制備高性能的功率器件和射頻器件，突破了前兩代半導(dǎo)體材料在物理性能上的限制，為眾多新興領(lǐng)域的發(fā)展提供了關(guān)鍵支撐，推動(dòng)了電子電力、通信、新能源等行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

2、應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)XYZ-Research發(fā)布的市場調(diào)研報(bào)告指出，在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅功率器件如碳化硅 MOSFET 和碳化硅 SBD 等被廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、車載 DC/DC 及非車載充電樁等組件中。相較于傳統(tǒng)硅基器件，碳化硅器件可使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程延長 5%-10%，促進(jìn)逆變器線圈、電容小型化，縮減電驅(qū)尺寸，減少電機(jī)鐵損，提升能源效率和功率密度，優(yōu)化電動(dòng)汽車的整體性能，目前特斯拉、比亞迪、豐田等車企均已開始采用碳化硅器件，隨著成本的降低，其應(yīng)用將更加廣泛和深入，有望在未來成為新能源汽車的主流半導(dǎo)體材料，推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)升級(jí)。

在光伏產(chǎn)業(yè)中，碳化硅 MOSFET 功率器件已被光伏逆變器龍頭企業(yè)采用，替代傳統(tǒng)硅器件。使用碳化硅功率器件可使光伏轉(zhuǎn)換效率從 96% 提高至 99% 以上，能量損耗降低 50% 以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，顯著提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，降低成本，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使其在可再生能源領(lǐng)域的競爭力進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)于全球能源結(jié)構(gòu)向清潔能源轉(zhuǎn)型具有重要意義，有助于推動(dòng)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用和普及。

智能電網(wǎng)方面，隨著國家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對(duì)碳化硅功率器件存在重大需求。碳化硅功率器件在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用場景包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置，能夠提高電網(wǎng)的輸電效率、穩(wěn)定性和可靠性，降低輸電損耗，實(shí)現(xiàn)電力的高效傳輸和分配，對(duì)于構(gòu)建現(xiàn)代化智能電網(wǎng)、保障能源供應(yīng)安全具有關(guān)鍵作用，有助于提升電網(wǎng)的智能化水平和應(yīng)對(duì)能源需求增長的能力，推動(dòng)電力行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

在 5G 通信領(lǐng)域，碳化硅基氮化鎵射頻器件因其高電子遷移率和良好的高頻特性，成為制造 5G 基站功率放大器和射頻器件的理想材料。與傳統(tǒng)的硅基 LDMOS 器件相比，碳化硅基氮化鎵射頻器件可以更好地適應(yīng) 5G 通信基站、雷達(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率的要求，能夠提升通信信號(hào)的傳輸質(zhì)量和覆蓋范圍，滿足 5G 通信對(duì)于高頻、高功率器件的需求，為 5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展提供了有力支持，推動(dòng)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的通信連接以及智能互聯(lián)社會(huì)的構(gòu)建具有重要意義。

航空航天領(lǐng)域，碳化硅陶瓷材料由于耐高溫、高強(qiáng)度的特性，被用于制造航空航天器的高溫部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等。在高溫環(huán)境下，碳化硅陶瓷能夠保持良好的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性，確保航空航天器的安全運(yùn)行和可靠工作，提高航空航天器的性能和效率，減輕結(jié)構(gòu)重量，滿足航空航天領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅懿牧系膰?yán)苛要求，為航天事業(yè)的發(fā)展提供了關(guān)鍵材料支撐，有助于推動(dòng)人類探索宇宙的進(jìn)程和航空航天技術(shù)的不斷突破。

3、行業(yè)發(fā)展歷程

據(jù)市場分析報(bào)告進(jìn)行披露，碳化硅的發(fā)現(xiàn)可追溯至 1824 年，伯澤里烏斯從硅氟化鉀還原中制備出碳化硅。1891 年，美國化學(xué)家艾奇遜以工業(yè)規(guī)模合成出這種人造礦物，1904 年，法國人莫瓦桑首次在美國亞歷山大州的隕石里發(fā)現(xiàn)了天然碳化硅，但含量甚微，工業(yè)上使用的碳化硅幾乎均為人工合成。早期，碳化硅主要應(yīng)用于磨料、耐火材料等領(lǐng)域，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其在電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力逐漸被挖掘。

從 20 世紀(jì) 50 年代開始，進(jìn)入物理基本性質(zhì)研究和英寸級(jí)別單晶生長的技術(shù)積累階段，物理氣相傳輸（PVT）生長方法基本確定，摻雜半絕緣技術(shù)被提出，到 1994 年，Cree 推出了商用的 2 英寸（50.8mm）SiC 襯底材料，掀起了全球 SiC 器件及相關(guān)技術(shù)的研究熱潮。此后，碳化硅技術(shù)不斷發(fā)展，在襯底尺寸、外延生長、器件制造等方面取得了一系列突破，國際上 6 英寸 SiC 襯底產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)商用化，主流幾大廠家均推出 8 英寸襯底樣品，6 英寸外延產(chǎn)品也已商用，8 英寸外延產(chǎn)品也已研制成功，可滿足中低壓、高壓、超高壓功率器件制備要求，碳化硅功率器件的性能和可靠性不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。

近年來，隨著新能源汽車、5G 通信、光伏等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，碳化硅市場需求呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。根據(jù) Yole 公布的數(shù)據(jù)，2021 年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模為 10 億美元，到 2023 年，這一規(guī)模增長至約 30.4 億美元，預(yù)計(jì)到 2028 年，全球功率碳化硅器件市場將增長至近 90 億美元，碳化硅行業(yè)逐漸步入產(chǎn)業(yè)化成熟階段，成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一，眾多企業(yè)紛紛加大在碳化硅領(lǐng)域的研發(fā)和生產(chǎn)投入，競爭日益激烈，推動(dòng)著碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。在這一過程中，美國 Wolfspeed 公司上世紀(jì) 90 年代初已成功推出碳化硅晶片產(chǎn)品，90 年代末成功研制出 4 英寸碳化硅晶片，并于 2001 年成功研制首個(gè)商用碳化硅二極管產(chǎn)品；意法半導(dǎo)體、英飛凌等國際半導(dǎo)體巨頭也通過并購、合作等方式布局碳化硅產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)企業(yè)如天岳先進(jìn)、三安光電、華潤微等也在碳化硅襯底、外延、器件制造等環(huán)節(jié)取得了一定的技術(shù)突破和市場份額，逐漸縮小與國際先進(jìn)水平的差距，為我國碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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