碳化硅|当新能源遇上半导体

文章插图
作者：文雨，编辑：小市妹
价格维持不变，集成电路上可容纳的元件数目大约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将同步提升一倍。
过去几十年，芯片产业的进阶严格遵循这一人为约定，但当台积电宣布突破1nm制程的时候，摩尔定律在理论上已经走进了死胡同。
若要延续这一趋势，必须在底层材料上形成突破。
【跳跃式升级】
发展至今，半导体材料已历经多次迭代。
第一代半导体材料主要是硅和锗，上世纪60年代之后，硅基半导体逐渐成为主流，直到现在依然是应用最为广泛的半导体材料，全球95%以上的芯片是以硅片为基础材料制成的。
第二半导体材料的代表是砷化镓，可以制造更高频、高速的集成电路，但以目前的需求来看，砷化镓材料的禁带宽度依然较小。
第三代半导体材料应时代而生，以碳化硅、氮化镓为代表的材料可以制备耐高压、高频的功率器件，其中碳化硅是综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。
碳化硅并非原有技术的渐进改良，而是一次跳跃式升级。
相同规格下，碳化硅基MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10，导通电阻是后者的1/100。与硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的总能量损耗可降低70%。
碳化硅的性能优势在各个新能源产业中体现的淋漓尽致。
应用在风力发电领域，可提高效率20%。
应用在光伏逆变器，可将转换效率从96%提升至99%以上，并且降低能量损耗超50%，提升设备循环寿命50倍。
最重要的是在新能源车上的应用。
2016年，在成本控制上近乎“变态”的特斯拉一反常态，率先在Model3的主逆变器上安了24个由意法半导体生产的碳化硅MOSFET功率模块。要知道，当时碳化硅功率器件的价格是同等硅器件的十倍。
后来的事实证明，马斯克的眼光还是一如既往的犀利。
根据福特汽车的测算，相比于传统硅芯片，由碳化硅制成芯片驱动的新能源汽车，能量损耗大约降低5倍左右。到目前为止，纯电动汽车中已有超40%以上采用SiC技术，自主品牌中第一个吃螃蟹的是比亚迪。
使用自主研发制造的SiCMOSFET控制模块后，比亚迪汉EV车型的性能在去年明显提升，功率达到363Kw，实现百公里加速3.9s，续航里程延长至605公里。
不只是新能源产业，碳化硅在家电、通讯、航空、高铁、工业电机等领域均有重大作用。
但直到现在，碳化硅的普及程度依然很低。
【渐进式渗透】
根据Yole的数据，2021年，第三代半导体基功率器件的市场占比只有约6%，其中SiC基功率器件占比5%左右，市场规模大约8.5亿美元。
性能好，但渗透率低，原因只有一个：贵。
CASA的数据显示，2020年，650V的SiCMOSFET与SiIGBT的价格比大约是4:1，SiC逆变器模块是硅基逆变器价格的2-3倍。
新能源产业附加值高，成本承受能力强，所以率先导入了第三代半导体材料，但很多行业价格敏感性高，只能等待成本的进一步下降。
对于任何一项新技术，成本都是左右产业化的核心变量。于碳化硅而言，碳粉提纯难度高、晶体生长缓慢、晶体切割速度慢等因素共同决定着成本刚性。
首先，高质量SiC晶体的基础是要有高纯度的碳粉，但提纯过程对工艺要求极高，合成也需要时间摸索。
其次，碳化硅晶体的生长速度非常慢。碳化硅7天才能生长2cm左右，作为对比，2-3天就能拉出约2m长的8英寸硅棒。
最后，由于碳化硅硬度高，不仅切割耗时长，而且良率低。一般来说，硅片的切割只需几小时，而碳化硅片则要上百小时。