中國粉體網(wǎng)訊  碳化硅材料主要包括單晶和陶瓷2大類,，無論是作為單晶還是陶瓷,，碳化硅材料目前已成為半導(dǎo)體,、新能源汽車,、光伏等三大千億賽道的關(guān)鍵材料之一。例如：

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單晶方面,，碳化硅作為目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料,，可謂是近年來最火熱的半導(dǎo)體材料。尤其是在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,，碳化硅被深度綁定新能源汽車,、光伏、儲能等節(jié)能減碳行業(yè),，萬眾矚目,。

陶瓷方面，碳化硅憑借其優(yōu)異的高溫強度,、高硬度,、高彈性模量、高耐磨性,、高導(dǎo)熱性,、耐腐蝕性等性能，近年來隨著新能源汽車,、半導(dǎo)體,、光伏等行業(yè)的起飛而需求爆發(fā),，深深地滲入到這些新興領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

今天,，我們分別從單晶和陶瓷的方向,，看看碳化硅材料在這些火熱賽道是如何大殺四方的。

單晶/半導(dǎo)體方面

橫空出世,，解決硅基器件難以滿足的性能需求

一直以來,，硅是制造半導(dǎo)體芯片最常用的材料，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的,。究其原因,，是硅的儲備量大，成本比較低,，并且制備比較簡單,。然而，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用卻受阻,，且硅在高頻下的工作性能較差,，不適用于高壓應(yīng)用場景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足新能源車及高鐵等新興應(yīng)用對器件高功率及高頻性能的需求,。

在這個背景下,，碳化硅走到了聚光燈下。相比于第一代和第二代半導(dǎo)體材料,，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性,，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場,、高飽和電子速度,、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點,。SiC的臨界擊穿電場是Si的10倍,，GaAs的5倍，這提高了SiC基器件的耐壓容量,、工作頻率和電流密度,，降低了器件的導(dǎo)通損耗。加上比Cu還高的熱導(dǎo)率,，器件使用時無需額外散熱裝置,，減小了整機體積。此外,，SiC器件具有極低的導(dǎo)通損耗,，而且在超高頻率時，可以維持很好的電氣性能,。例如從基于Si器件的三電平方案改為基于SiC的兩電平方案,，效率可以從96%提高到97.6%,，功耗降低可達40%。因此SiC器件在低功耗,、小型化和高頻的應(yīng)用場景中具有極大的優(yōu)勢,。

碳化硅器件已成為新能源汽車、光伏等熱門賽道追求的“香餑餑”

（1）新能源汽車

碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小,，性能越來越好,，所以近年來電動汽車廠商都對它青睞有加。5年前特斯拉率先在model3主驅(qū)逆變器上使用碳化硅,，開辟了碳化硅“上車”的先河,。之后，比亞迪,、吉利,、上汽大眾、蔚來等車企加速布局,，在提高續(xù)航里程,、實現(xiàn)超級快充、實現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力,，電動汽車銷量的不斷增長,，也帶動了市場對碳化硅功率器件的需求，掀起了一股持續(xù)至今的碳化硅“上車熱”,。

不同車載領(lǐng)域應(yīng)用場景下對 SiC 器件的要求,，來源：《中國碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023～2026）》

 另外，在車載充電機中,，采用碳化硅可獲得更快的開關(guān)頻率FSW,、更高的效率,、雙向操作,、更小的無源元件、更小的系統(tǒng)尺寸和更低的系統(tǒng)成本,。所以,，目前來看，根據(jù)碳化硅器件特點和電動汽車的發(fā)展趨勢,，碳化硅器件或是未來電動汽車的必然之選,。

（2）軌道交通

碳化硅功率器件相較傳統(tǒng)硅基IGBT能夠有效提升開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗,，其高頻化可以進一步降低無源器件的噪聲,、溫度、體積與重量,，提升裝置應(yīng)用的機動性,、靈活性,，是新一代牽引逆變器技術(shù)的主流發(fā)展方向。目前 SiC 器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應(yīng)用,，蘇州軌交 3 號線 0312 號列車是國內(nèi)首個基于 SiC 變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項目,，實現(xiàn)了牽引節(jié)能20%的目標。2012 年東京地鐵銀座線進行了世界首次 SiC 器件裝車運營試驗,。自2015 年起,，日本開始在鐵路車輛上大量采用 SiC 器件，到 2021 年,，已進入普及應(yīng)用階段,。

全碳化硅永磁直驅(qū)地鐵列車

（3）光伏發(fā)電

在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng) 10%左右,，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一,。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，硅基器件轉(zhuǎn)換效率和功率密度等已接近理論極限,。而使用碳化硅材料,，可將轉(zhuǎn)換效率從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上,，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍,。例如，在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里,，碳化硅器件在系統(tǒng)級層面帶來成本和效能的好處,。陽光電源等光伏逆變器龍頭企業(yè)已將碳化硅器件應(yīng)用至其組串式逆變器中。

（4）智能電網(wǎng)

碳化硅基功率開關(guān)由于具有極低的開啟態(tài)電阻,，并且能應(yīng)用于高壓,、高溫、高頻場合,，是硅基器件的理想替代者,，另如果使用碳化硅功率模塊，與使用硅功率電源裝置相比,，由開關(guān)損失引起的功率損耗可降低5倍以上,，體積與重量減少40%，將對未來電網(wǎng)形態(tài)和能源戰(zhàn)略調(diào)整產(chǎn)生重大影響,。

（5）無線通信設(shè)施

5G發(fā)展推動碳化硅基氮化鎵器件需求增長,，市場空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直接決定移動終端和基站無線通訊距離,、信號質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù),，5G通訊高頻、高速、高功率特點對其性能有更高要求,。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅高導(dǎo)熱性能和氮化鎵高頻段下大功率射頻輸出優(yōu)勢,，在功率放大器上的應(yīng)用可滿足5G通訊對高頻性能、高功率處理能力要求,。

資本狂下注,，碳化硅在半導(dǎo)體寒冬中狂飆

在半導(dǎo)體行業(yè)的下行周期中，也并非一片低迷之聲,，碳化硅就是萎靡之勢中的一個反例,。近年來，資本市場對碳化硅一直抱有強烈的關(guān)注度,。

2021年有多家碳化硅企業(yè)獲得了投資機構(gòu)的青睞,，相繼宣布完成融資，行業(yè)內(nèi)也隨之激起一番融資浪潮,。

2022年也是碳化硅投融資熱度明顯的一年,。據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年全年投融資及并購金額超過33億元,，數(shù)量達到30余起,。僅僅是在2022年12月，就有7個融資案,，包括臻驅(qū)科技,、芯聚能、邑文科技,、瞻芯電子,、南砂晶圓等。

2023年上半年剛過,，碳化硅企業(yè)的融資金額就已經(jīng)創(chuàng)了最近三年的新高,。今年Q1，碳化硅領(lǐng)域共有21起融資,，包含外延,、襯底、材料,、設(shè)備,、功率器件……融資幾乎涵蓋了國內(nèi)碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈。在這21家企業(yè)中,，除部分企業(yè)未公布融資金額外，有10家企業(yè)所獲融資金額過億,，約占總數(shù)的50%,。其中，融資規(guī)模最大的當屬天域半導(dǎo)體,，為12億,。今年Q2又有10余起融資,，總金額超50億元。

建廠擴產(chǎn)毫不停歇

數(shù)據(jù)顯示,，上半年與碳化硅相關(guān)的擴產(chǎn)項目以及預(yù)期資本支出加起來總金額超上千億元（折合成人民幣）,，擴產(chǎn)的內(nèi)容主要圍繞襯底、外延,、器件,，而應(yīng)用的方向也大多數(shù)以電動汽車為主。

今年1月,，德國博世集團在蘇州發(fā)布重磅消息：再投10億美元打造新能源汽車核心部件及自動駕駛研發(fā)制造基地項目,，生產(chǎn)內(nèi)容包含碳化硅功率模塊等。隨后在4月,，博世又決定收購半導(dǎo)體廠商TSI Semiconductors,，再投資15億美元擴張第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)，應(yīng)對電動汽車市場需求,。

今年2月,，美國半導(dǎo)體廠Wolfspeed正式宣布計劃在德國薩爾州建造全球最大、最先進的碳化硅器件制造工廠,。該工廠將成為全球最大的八英寸半導(dǎo)體工廠,，采用創(chuàng)新性制造工藝來生產(chǎn)下一代碳化硅器件。

同時,，國內(nèi)對于碳化硅擴產(chǎn)動作也未停歇,。

今年6月，三安光電與意法半導(dǎo)體聯(lián)合宣布,，雙方擬出資32億美元(約合人民幣228億元)合資建造一座8英寸碳化硅外延,、芯片代工廠。同時,，三安光電將在當?shù)鬲氋Y建立一個8英寸碳化硅襯底工廠作為配套,，預(yù)計投資總額70億元。此外還有天科合達,、瀚天天成,、天岳先進等公司都公布了自己新的投資與擴產(chǎn)計劃。

國內(nèi)外碳化硅襯底廠商產(chǎn)能規(guī)劃,，來源：申萬宏源

陶瓷方面

陶瓷方面,，常見的陶瓷材料有碳化硅、氧化鋁,、氮化硅等,，其中碳化硅材料因其具有極高的彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力變形和熱應(yīng)變等特性,，作為性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷和高溫材料,，在鋰電、半導(dǎo)體,、光伏等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用,。

光刻機等半導(dǎo)體設(shè)備用精密部件的熱門材料

陶瓷是刻蝕機、涂膠顯影機,、光刻機,、離子注入機等半導(dǎo)體關(guān)鍵設(shè)備中的關(guān)鍵部件材料，其成本已占半導(dǎo)體設(shè)備成本10%以上,。其中,，碳化硅陶瓷在半導(dǎo)體制造的前段到后段工藝裝備中都有廣泛應(yīng)用，例如在研磨拋光吸盤,、光刻吸盤,、檢測吸盤、精密運動平臺,、刻蝕環(huán)節(jié)的高純碳化硅部件,、封裝檢測環(huán)節(jié)中精密運動系統(tǒng)等等，地位極其重要,。

來源：Wind,，梧桐樹半導(dǎo)體整理

（1）在光刻機中

在高端光刻機中，為實現(xiàn)高制程精度,，需要廣泛采用具有良好的功能復(fù)合性,、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性,、尺寸精度的陶瓷零部件,，如E-chuck、Vacumm-chuck,、Block,、磁鋼骨架水冷板、反射鏡,、導(dǎo)軌等,。這方面，碳化硅陶瓷足以勝任,。

（2）在刻蝕設(shè)備中

在刻蝕設(shè)備中,，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會對設(shè)備器件表面造成嚴重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命,，降低設(shè)備的使用性能,，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物會出現(xiàn)揮發(fā)和脫落的現(xiàn)象,，在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)顆粒,，影響腔室的潔凈度,。因此，刻蝕機腔體和腔體部件材料的耐等離子體刻蝕性能變得至關(guān)重要,。

SiC作為刻蝕機腔體材料,，相較于石英，其材料本身產(chǎn)生的雜質(zhì)污染較少,，由于具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能,，在等離子轟擊其原子表面時，原子損失率相對較少,，日本三井公司報道一種SiC復(fù)合材料作為空氣刻蝕機腔體材料,，具有較高的耐腐蝕性。

碳化硅聚焦環(huán)

聚焦環(huán)部件方面,，其作用是提供均衡的等離子,，要求與硅晶圓有相似的電導(dǎo)率。以往采用的材料主要是導(dǎo)電硅,，但是含氟等離子體會與硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的氟化硅,，大大縮短其使用壽命，導(dǎo)致部件需要頻繁更換,，降低生產(chǎn)效率,。SiC與單晶Si有相似的電導(dǎo)率，而且耐等離子體刻蝕性能更好,，可以作為聚焦環(huán)的使用材料,。

SiC刻蝕環(huán)作為半導(dǎo)體材料在等離子刻蝕環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵耗材，其純度要求極高,。一般只能采用CVD工藝進行生長SiC厚層塊體,，隨后經(jīng)精密加工而制得，主要用于半導(dǎo)體刻蝕工藝的制備環(huán)節(jié),。

碳化硅陶瓷窯具——鋰電材料燒結(jié)的“幕后工作者” 

作為新能源分支,，鋰電目前有多火不用贅述。鋰離子電池正極材料,、負極材料和電解液的烘干,、燒結(jié)和熱處理等工序中，輥道窯爐是一種關(guān)鍵的連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備,，窯具是窯爐的關(guān)鍵配件,，其工業(yè)窯爐中循環(huán)使用，用于支撐或保護被燒產(chǎn)品的耐火制品,，受正極材料擴產(chǎn)帶動,，窯具的應(yīng)用規(guī)模擴大,，碳化硅陶瓷窯具以其優(yōu)異的高溫機械性能，耐火性能以及抗熱震性能應(yīng)用于陶瓷窯中,，可提高窯爐生產(chǎn)能力,，大幅度降低能耗，成為各類窯爐材料窯具材料中的理想選擇,。

光伏行業(yè)——電池片生產(chǎn)過程關(guān)鍵載具材料

在碳化硅陶瓷當中,，碳化硅舟托成為光伏電池片生產(chǎn)工藝過程中關(guān)鍵載具材料方面的良好選擇，其市場需求日益受到業(yè)界關(guān)注,。

目前普遍使用的石英舟托,、舟盒、管件等受制于國內(nèi),、國際高純石英砂礦源限制,，產(chǎn)能較小，且在光伏行業(yè)上游單晶爐用坩堝,、中游硅片電池片載具耗材需求不斷增加的背景下,，高純度石英砂存在供需緊張，價格長期高位運行的特點,，石英載具作為光伏電池片生產(chǎn)過程中承載硅片的器件性能穩(wěn)定,，但是與物美價廉的耗材選型標準背道而馳。

相較于石英材料,，碳化硅材料制舟托,、舟盒、管件制品等熱穩(wěn)定性能好,，高溫使用不變形,，無有害析出污染物，作為石英制品的優(yōu)良替代材料,，使用壽命可達1年以上,，可顯著降低使用成本及維護維修停線造成的產(chǎn)能損失，成本優(yōu)勢明顯,，其作為載具在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,。

當前，世界主要經(jīng)濟體的光伏滲透率不斷提升,，在各國政策引導(dǎo)與市場需求的驅(qū)動下,，隨著光伏產(chǎn)業(yè)度電成本顯著下降，目前光伏發(fā)電已成為全球最經(jīng)濟的電力能源,，根據(jù)IEA預(yù)測,，2020-2030年間光伏裝機量將以21%的CAGR增長至接近5TW，光伏占全球電力裝機比重將從9.5%提升至33.2%,。

終端旺盛裝機需求持續(xù)帶動電池片需求高增,，推動光伏產(chǎn)業(yè)碳化硅舟托及舟盒替換需求上漲,，預(yù)計到2025年半導(dǎo)體及光伏行業(yè)用碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷占比達62%，其中光伏行業(yè)用碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷占比將從2022年6%上升至26%,，成為最快增長領(lǐng)域,。

小結(jié)

我們看到，碳化硅材料無論是作為單晶材料還是作為陶瓷材料,，均在半導(dǎo)體,、鋰電,、光伏等當今最火的行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了相當重要的位置,，而且其所處的這三大行業(yè)均為千億市場規(guī)模以上賽道，并且這些行業(yè)均正在高速成長,，可以預(yù)見碳化硅材料的明天一片大好,。

參考來源：

[1]碳化硅熱度，只增不減.半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

[2]碳化硅,，在芯片寒冬中狂飆.芯世相

[3]《中國碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023～2026）》.粉體大數(shù)據(jù)研究

[4]半導(dǎo)體行業(yè)：SiC材料的“密集賽道”,？.粉體網(wǎng)

[5]中國陶瓷工業(yè)協(xié)會

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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