智芯研报 | 碳化硅功率器件发力电动飞机市场

碳化硅已发力轨道交通市场，如今又迎来新的大机遇。 碳化硅有望显著提高效率并减小飞机电力转换器技术的尺寸和重量。使用碳化硅半导体的电源系统能够实现更高的功率密度、电压、温度和频率，同时减少散热。

5月24日，日本电装与美国霍尼韦尔国际公司发布公告称，双方已签署了一项长期协议，将联合开发和制造用于飞机的电动推进系统，以满足城市空中交通（UAM）等需求。

电装公司表示，UAM电动飞机是较小型的飞机之一，比较容易利用汽车的电气化技术，电装公司将通过使用碳化硅等技术，开发出逆变器和大功率电动机。此前，电装发布了一款用于电动飞机的原型电动机，该电动机的输出密度达到了汽车的三倍以上。

2020年6月，霍尼韦尔（中国）发布了一种专为城市空中交通（UAM）和电动飞机设计的微蒸气循环系统（MicroVCS）冷却解决方案，其中就带有碳化硅开关的电力电子设备，相比其他传统蒸汽循环系统，该系统的重量减轻了35％，效率提高了20％。

另外，丰田汽车已经投资并在研发eVTOL技术，而丰田是电装的最大股东，其电动飞机采用电装的碳化硅也是很自然的事情。

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碳化硅功率半导体器件优势

SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C 原子和Si 原子不同的结合方式使SiC 拥有多种晶格结构，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。

SiC 功率器件的发展历史

SiC 器件相对于Si 器件的优势主要来自三个方面： 降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

降低能量损耗。 SiC 材料开关损耗极低，全SiC 功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于IGBT 模块不擅长的高速开关工作，全SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

低阻值使得更易实现小型化。 SiC 材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可达到仅为Si 的1/10 左右。

更耐高温。 SiC 的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达800 摄氏度，承受的温度相对Si 更高；SiC 材料拥有3.7W/cm/K 的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

SiC 能大大降低功率转换中的开关损耗

SiC 更容易实现模块的小型化、更耐高温

碳化硅功率半导体器件相较于硅基功率器件优势

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‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍碳化硅功率半导体器件产业链

碳化硅功率半导体器件从上个世纪70年代开始研发，经过30年的积累，于2001年开始商用碳化硅SBD器件，之后于2010年开始商用碳化硅MOSFET器件，当前碳化硅IGBT器件还在研发当中。

碳化硅功率器件发展历程

资料来源：太平洋证券

碳化硅功率器件整个生产过程大致如下图所示，主要会分为碳化硅单晶生产、外延层生产、器件制造三大步骤，分别对应产业链的衬底、外延、器件和模组三大环节。

碳化硅功率器件生产过程

衬底方面：通常用Lely法制造，国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡，且已经开发出8英寸导电型衬底产品，国内衬底以4英寸为主，质量相对薄弱，主要用于生产10A以下小电流产品，目前单晶生长缓慢且品质不够稳定是碳化硅价格高、市场推广慢的重要原因。

外延方面：通常用PECVD法制造，目前国内部分公司已能提供4、6英寸碳化硅外延片，品质尚可，针对1700V及以下的器件用的外延片已比较成熟，但对于高质量厚外延的量产技术主要还是国外的Cree、昭和等少数企业具备。

器件方面：国际上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET已实现量产，国内目前MOSFET量产还有待突破，产线方面都在往6英寸线过渡，并且Cree已开始布局8英寸线，器件的价格走势上，目前的价格是硅器件的5-6倍，且以每年10%的速度下降，随着上游扩产的加剧以及应用的不断拓展，有望在2-3年后降到硅器件的2-3倍，从而带动系统层面的价格与传统方案持平或更低，在制程上，大部分设备与传统硅生产线相同，但由于碳化硅具有硬度高等特性，需要一些特殊的生产设备，如高温离子注入机、碳膜溅射仪、量产型高温退火炉等，其中是否具备高温离子注入机是衡量碳化硅生产线的一个重要标准。

目前整个产业链上主要有如下代表性企业，并且由于碳化硅分立功率器件的性能与材料、结构设计、制造工艺之间的关联性较强，同时为了加强成本的控制与工艺品控的改进，不少企业仍选择采用IDM模式，如Cree和Rohm甚至覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件设计与制造全产业链环节，其中Cree占据衬底市场约40%份额、器件市场约25%份额，并且Infineon、Cree、Rohm、ST四家合计占有全球器件市场近90%的份额，均为IDM模式。

重要 SiC 企业梳理

1、Cree

Cree 旗下的 Wolfspeed 是生产 SiC 肖特基二极管、SiC MOSFET 元件以及模块，以及 GaN 器件的先驱公司，在 SiC/GaN 材料方面具有 30年经验，在 SiC 功率市场与 GaN 射频器件市场具有领导地位。

在 SiC 功率器件市场，Wolfspeed 占据市场最大的份额，是行业第一家商用 SiC MOSFET 的企业，服务上千家客户；在GaN 射频器件市场， Wolfspeed 市场份额位居第二，具备十年以上的 GaN HEMT 生产经验，出货量超过 1500 万只；在 SiC 材料市场，Wolfspeed 是第一家提供商业化 SiC 晶圆产品的企业（1991 年），且在其后的 30 年发展中引领了SiC 晶圆尺寸的由小变大（目前为 8 寸），是名副其实的市场引领者。

Wolfspeed同时提供 GaN-on-SiC 代工服务，改变了行业传统的 IDM业态。作为 GaN-on-SiC MMIC 技术的领导者，公司运用世界上最大的宽禁带半导体生产线为客户提供从设计协助到制造、测试服务，缩短下游客户产品推出周期。

2、英飞凌

Infineon是市场上唯一一家提供涵盖 Si、SiC 和 GaN 等材料的全系列功率产品的公司，开发的CoolSiC技术具备非常大的潜力。Infineon于1992年开始 SiC 领域研发，2001 全球首次 SiC 二极管推出商业市场，于 2006年推出全球首个采用 SiC 组件的商用电源模块，目前已经已经发展至第五代。公司近年在奥地利投入三千五百万欧元对 SiC 设备和相关工艺的研发。

2018 年 2 月 Infineon 与 Cree 宣布签订了战略性长期供货协议，负责向后者提供SiC 晶圆；11 月收购 Siltectra 获得 Cold Split 技术，相比传统研磨 90％的材料浪费，该技术将耗材成本降低 50％，并将整体切片成本降低 30％。

3、ROHM（罗姆半导体）

ROHM 是日本首家、全球第四家具备 SiC 器件量产能力的半导体厂商，其优势在于实现从衬底到模块的垂直整合。根据 Yole 的统计，Infineon和 Cree 两家公司占据了整个 SiC 市场份额 68%，其后便是 ROHM。为了把握 SiC 材料快速增长的机遇，根据公开业绩说明会，公司计划分批投入共计 600 亿日币，至 2025 年时将 SiC 的产能提升至 2017 年的 16倍。力争到 2025 年，ROHM 能在全球 SiC 市场的份额达到 30%。

| 来源：本文内容综合自GaN世界、中泰证券等

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