SiC在物理性能方面相較于Si優勢顯著，疊加節能減排和新能源領域的巨大變革，SiC下游應用極為廣闊?，F有的功率器件大多基于硅半導體材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐漸接近極限，難以滿足迅速增長和變化的電能應用新需求。碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。

SiC產業鏈主要包括襯底、外延、器件制造、封測等環節。SiC襯底的制造過程是首先將碳粉和硅粉在高溫下反應得到高純度SiC微粉，然后將其放在單晶生長爐中高溫升華形成SiC晶體，最后SiC晶體通過晶錠加工、切割、研磨、拋光和清洗得到SiC襯底。根據襯底電阻率的不同，SiC襯底可以分類為導電型、半絕緣型襯底。由于襯底具有一定缺陷，不適合在其上直接制造半導體器件，所以襯底上一般會沉積一層高質量的外延材料。

導電型SiC襯底上一般再外延一層SiC，然后用于制作功率器件，適用于高溫、高壓工作環境，且損耗低，主要應用于電子電力領域，例如新能源汽車中的逆變器、轉換器、電機驅動器和車載充電機，光伏發電中的二極管、逆變器和變換器，軌道交通中的牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器和電源充電機，智能電網中的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、高壓直流斷路器和電力電子變壓器等。半絕緣型SiC襯底上可以外延GaN材料，用于制作射頻器件，適用于高頻、高溫工作環境，主要應用于射頻領域，例如5G通訊中的功率放大器和國防中的無線電探測器。

PVT法的原理是使原料處于高溫區，籽晶處于相對低溫區，進而處于溫度較高處的原料發生分解，不經液相態直接產生氣相物質，這些氣相物質在軸向溫度梯度的驅動下輸運到籽晶處，在籽晶處形核、長大，結晶形成碳化硅單晶。PVT法面臨的主要技術挑戰有二，一是碳化硅晶體內雜質濃度的控制問題，包括對石墨材料進行再提純處理、高純碳化硅微粉原料的獲??；二是坩堝內部溫度分布不合理，可能引致微管和位錯等缺陷問題。由于PVT法生長碳化硅晶體所用關鍵石墨部件可重復使用20次以上，較大程度上降低了碳化硅晶體生長成本，是目前主流的SiC長晶方法。目前國外的Cree、II-VI、SiCrystal、Dow和國內的天岳先進、天科合達等公司均采用此方法。

原理是在1500-2500℃的高溫下，導入高純度的硅烷、乙烷、丙烷或氫氣等氣體，在生長腔內進行反應，先在高溫區形成碳化硅前驅物，再經由氣體帶動進入低溫區的籽晶端前沉積形成單晶。HTCVD法面臨的主要技術挑戰是沉積溫度的控制。研究表明，過高的沉積溫度會伴隨過快的沉積速率，從而引致晶體結構松散，過低的沉積溫度會伴隨過慢的沉積速度，從而引致多孔結構。使用HTCVD法生長晶體純度較高、可實現近勻速晶體生長，但氣相物質可同坩堝反應造成氣相成分波動，影響生長晶體的質量，且晶體生長成本較高，目前國外的Norstel和日本電裝公司采用此方法。

原理是使碳從坩堝下方的高溫部溶解到石墨坩堝內的硅熔體中，使碳化硅籽晶與該碳硅熔體接觸，在碳化硅籽晶上進行外延生長從而得到碳化硅單晶。LPE法面臨的主要技術挑戰是過渡金屬的選擇。碳在硅溶液里的溶解度過低，因此必須添加過渡金屬元素于硅熔體中，提高碳的濃度，提升晶體生長速率。使用LPE法生長出晶體質量高、缺陷密度低，適應高品質碳化硅單晶制備需要，但其生長速度緩慢，生長長度也受限。目前國外的住友金屬公司采用LPE方法。

根據中國科學技術協會援引未來智庫，以主流的 PVT 法為例，SiC 襯底制備面臨以下困難：

溫場控制困難：以目前的主流制備方法物理氣相傳輸法（PVT）為例，SiC晶棒需要在2500℃高溫下進行生產，而硅晶只需1500℃，因此需要特殊的單晶爐，且在生產中需要精確調控生長溫度，控制難度極大。

良品參數要求高，黑匣子良率難以及時控制：SiC晶片的核心參數包括微管密度、 位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等，晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數， 否則容易產生多晶型夾雜，導致產出的晶體不合格；而在石墨坩堝的黑盒子中無法即時觀察晶體生長狀況，需要非常精確的熱場控制、材料匹配及經驗累積。

晶體擴徑難度大：氣相傳輸法下，SiC晶體生長的擴徑技術難度極大，隨著晶體尺寸的擴大，其生長難度工藝呈幾何級增長。

良率普遍偏低：良率低主要由2個環節構成，（1）晶棒良品率=半導體級晶棒產量/（半導體級晶棒產量+非半導體級晶棒產量）×100%；（2）襯底良品率=合格襯底產量/（合格襯底產量+不合格襯底產量）×100%。

硅基功率半導體以MOSFET和IGBT為主，分立器件和模塊合計占比45%，份額長期保持穩定。分立器件及模塊（包括IGBT模塊、IPM智能模塊）市場規模合計約180億美元，其中占比最大的是MOSFET和IGBT，市場規模分別為74億美元和54億美元。IGBT又可以細分為分立器件、模塊和IPM。

而碳化硅器件（單管）的主流形態是二極管及MOSFET，模塊產品日漸豐富。

二極管方面：碳化硅二極管主要包括肖特基勢壘二極管（SBD），結勢壘肖特基二極管（JBS），PiN二極管（PND型）等。器件結構來看碳化硅相比硅基器件并無創新，但材料的優異特性為碳化硅制造的產品帶來了競爭優勢。具體來看：1）SiC SBD耐壓高且幾乎無反向恢復時間，可大幅度降低開關損耗，提高開關頻率，大大優化了200V-1700V電壓段二極管的性能，并使PiN的應用甜區移動至3300V以上；2）更高端的JBS器件方面，SiC JBS具有大電流密度，高工作結溫的優勢，相比硅基器件有進一步性能提升。

制作碳化硅器件的大部分設備與傳統硅的生產設備相同，但由于碳化硅材料硬度高、熔點高等特性，需要一些特殊的生產設備與工藝。SiC所需的特定設備包括高溫退火爐、高溫離子注入機、SiC減薄設備、背面金屬沉積設備、背面激光退火設備、SiC沉底和外延片表面缺陷檢測和計量設備等。

高溫離子注入機（高溫大劑量高能離子注入工藝）：硅器件可以通過擴散、離子注入的方法進行摻雜，而碳化硅器件只能采用離子注入法摻雜。如果采用擴散方法摻雜碳化硅器件，其所需的擴散溫度遠高于硅，1800度的高溫下碳化硅材料也會產生缺陷，因此只能采用高溫離子注入工藝摻雜碳化硅。此外，由于SiC的穩定性較好，很難再結晶，摻雜激活也較難，其離子注入機需要具備高溫、高能的特點，并需要更精準的離子注入濃度、深度控制、離子注入表面保護等技術。其技術難點在于離子源技術、高溫靶室技術等。

高溫退火爐（超高溫退火工藝）：相較于硅，碳化硅退火爐的溫度更高，在1600-1700度的氬（Ar）中進行，對設備要求更高。此外，雖然高溫、長時間的退火可以提高激活率，但高溫也會使器件表面形成大的起伏缺陷，還會讓注入的離子從表面逸出。因此該類設備的難點在于高溫爐膛的熱場設計和快速升降溫與控溫技術。

高溫氧化爐（高質量氧化層生長工藝）：對于MOSFET器件而言，柵氧可以直接影響柵極可靠性并影響MOSFET性能。對于碳化硅MOSFET來說，如果SiC-SiO2的界面質量低，會降低溝道的遷移率，導致閾值電壓不穩定。且由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質生長方法，高溫氧化爐可以生成高質量低界面態密度的柵氧化層，改善SiO2/SiC界面，是用于制備碳化硅器件的柵極氧化層的必要特殊設備。高溫氧化爐工作溫度一般高于1350度，爐管內真空度可低至1mbar，腔體內金屬污染物的含量極低。

傳統的硅基模塊封裝并不能滿足碳化硅模塊封裝的要求。傳統的硅器件多采用引線鍵合、單邊散熱等方式，將芯片背部焊接在基板上，用金屬鍵合線引出正面電極，最后塑封或灌膠。這種方式雖然成本低，技術成熟，但并不能完全滿足碳化硅MOSFET模塊的需求，主要是由于如下兩個問題：

寄生電感高：SiC器件由于其高頻特性，可以實現高開關速度，然而開關過程中的電壓和電流的變化率（dv/dt和di/dt）極大，而寄生電感在這種情況下非常容易產生電壓過沖和振蕩，帶來損耗增加、器件電壓應力加大和電磁干擾問題。

散熱效率低：由于SiC本身的耐高溫特性，工作溫度可達到300℃以上，而傳統的硅器件的封裝一般只能在150℃以下工作。此外，相同功率等級的碳化硅模塊比硅模塊的體積大幅縮小，碳化硅模塊對散熱的要求更高。而在高溫工作時，碳化硅器件還可能面臨不同封裝材料的熱膨脹系數失配、界面處的熱應力帶來的各種問題。因此制作多片碳化硅芯片并聯的碳化硅模塊時，如何在封裝方面提高模塊的散熱性能是關鍵。

目前抑制下游客戶大量采購碳化硅二極管/MOSFET來替代硅二極管/IGBT的核心因素在于明顯的成本上升。由于碳化硅襯底制造良率、效率依然較低，以及器件加工、模塊封裝側依然存在較高壁壘，目前碳化硅器件生產成本較高，推動其售價走高，給市場目標客戶造成了較大的成本壓力。舉例來看，1）二極管產品方面，目前主流SiC二極管產品的價格是同規格Si二極管的1.3倍起；2）MOSFET產品與IGBT產品對比方面，目前SiC MOSFET的價格大約為可比Si IGBT器件的3-4倍。

但是，在SiC器件成本難以對Si實現平價化的前提下，碳化硅依然存在商業價值，其核心原因在于以半導體成本的提升換取系統效率的提升，最終可以帶來系統成本降低，或幫助下游客戶在產品的全生命周期內實現更大的經濟利益，在碳化硅成本逐步下降的同時，下游市場也有望迎來較大規模成長。

以碳化硅器件半成本的提升換取系統效率的提升，最終可以帶來系統成本降低。

近年來，半絕緣型及導電型襯底的單價都在逐年遞減，預計隨著全球產能擴張逐步落地，未來3年內襯底單價將會繼續下降，從而有助于加速碳化硅下游滲透率整體提升。據CASA預測，隨著SiC上游襯底、外延價格下降，預計SiC二極管和SiC MOSFET等器件的價格每年以超過 10%的速度下降。

在新能源汽車上，SiC應用的主要領域是電驅逆變器、車載充電機（OBC）和直流電壓轉換器（DC/DC）。根據Wolfspeed的預測，到2026年，逆變器應用占汽車SiC器件市場的80%以上，是其中最為重要的應用領域。SiC器件應用于電驅逆變器中，能夠顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，并提高功率密度；應用于車載充電機和DC/DC系統，能夠降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率。除此之外，SiC也可以應用于新能源汽車充電樁上，達到減小充電樁體積、提高充電速度的效果。

采用SiC器件替代Si IGBT配合450V直流母線電壓，逆變器效率有望提高5%，采用800V系統及SiC逆變器有望給系統帶來7.6%的效率提升。

電動汽車里程焦慮和充電速度慢兩大痛點是影響其市場規模的重要原因，高電壓模式因其提高里程及節約空間和重量等優勢成為解決電動汽車兩大痛點的最佳方案，電動汽車的電壓平臺升高至800V成為趨勢。

800V平臺對功率器件耐壓要求大幅提升，SiC MOSFET更具優勢。800V電壓下，對應功率器件耐壓需要提高至1200V左右。當前400V車型中一般采用Si IGBT器件，而800V車型中則需升級至SiC MOSFET，雖然Si IGBT、SiC MOSFET均可滿足1200V耐壓需求，但SiC MOSFET基于其材料和器件結構特性，具備低損耗、高頻率等顯著優勢。

近年來，由于整體上網電價呈現下滑趨勢，光伏逆變器需不斷提高運行效率，降低系統度電成本，而配備碳化硅器件的光伏逆變器憑借其優良的物理特性有望滿足上述需求，并在光伏逆變器應用中全面普及。

光伏逆變器通過切換直流輸入電流的極性來工作，使其接近交流輸出。為了提高效率、工作電壓和功率容量，逆變器需要平衡開關頻率。根據中商情報網數據，光伏發電中，基于硅基器件的傳統逆變器成本約占整體的10%，卻產生了大量系統能量損耗。根據中國汽車工業信息網數據，搭載SiC MOSFET或相關功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可由96%提高到超過99%，能量損耗將降低50%以上，設備使用壽命延長50倍，有利于縮小系統體積、提高功率密度和降低生產成本。由于功率轉換效率與開關頻率直接相關，碳化硅既可以處理比硅更高的電壓，又可以確保轉換效率所需的超高轉換頻率，更適用于光伏發電。

SiC可以在高頻領域的工作特性也使配備SiC器件的光伏逆變器體積、重量大大減小，增加了其在相對苛刻環境中安裝的可能性和便捷性，同時降低安裝維護成本。

英飛凌在2012年便推出第一款CoolSiC系列器件，隨后富士電機、三菱電機、西門子等廠商也紛紛推出各自的碳化硅功率器件/逆變器，提升能量轉換能效。2021年，世界三大再生能源研究機構之一的德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所（Fraunhofer ISE）研發出一款“高阻SiC逆變器”，為公用事業規模的光伏項目提供中壓系統連接解決方案。

陽光電源2014年公司便開始應用SiC二極管于30KW機型上，2017年公司實現了SiC模塊的上機（80KW機型）。目前，碳化硅產品在Y陽光電源產品中已廣泛使用，替代的是中小型逆變器。

碳化硅MOSFET可用于高壓、高溫環境的特性使其在軌道交通牽引逆變器中擁有較好的應用前景。搭載SiC牽引逆變器的機車不但部件數量有所減少，而且車載系統總能耗大幅下降。由右圖可以看出，采用SiC功率器件用于1700V軌道交通牽引逆變器后，功率器件的開關損耗降低約84%，變流器體積降低27%，重量降低約38%，系統諧波含量也有所改善，系統性能的提升幅度較為可觀。

細分來看，碳化硅用于軌交牽引逆變器，所帶來的優勢主要有：（1）體積和重量的改善，提高系統整體性能。SiC功率器件開關損耗大幅降低，功率模塊發熱量減少，將降低器件對功率模塊散熱器的要求以及對整個變流器冷卻系統的要求，帶來體積和重量的減少；此外功率器件可以在更高頻率下切換，將降低電路中變壓器、電容、電抗器等無源元件的體積和重量。而變流器總體體積和重量的改善，將有利于車輛的重量管理及設備布置，提高車輛的整體性能；（2）系統諧波的改善，提升系統效率。SiC功率器件功耗的降低以及開關頻率的提高，將帶來系統諧波電流的減小，從而減少對電網的諧波干擾，提高系統效率。機車也可以在更寬的速度范圍內實施電制動，向電網回饋更多的電制動能量。