碳化硅技术：未来市场与应用前景展望

碳化硅分为黑碳化硅和绿碳化硅两种常见品种，两者均属于α-SiC的类型。黑碳化硅含有少量的杂质，因此其硬度略低于绿碳化硅，但其耐磨性和导热性能优异，广泛应用于制造研磨材料、耐火材料等。而绿碳化硅则因纯度更高，硬度更大，被广泛应用于高精度加工、电子行业和太阳能光伏领域。碳化硅的这些独特属性使其成为现代工业中不可或缺的材料。例如，在半导体产业中，碳化硅能够制作出承受高电压和高温的电子器件，这在提高能源效率和降低设备尺寸方面发挥着重要作用。此外，由于碳化硅的高热导性和化学稳定性，它也被广泛用于高温结构材料、耐磨材料和航空航天领域。随着技术的不断进步，碳化硅在新能源汽车、5G通信技术等领域的应用也日益增多，预示着其在未来科技发展中将扮演更加重要的角色。同时，随着环保意识的提高，低碳、环保的材料日渐受到重视，碳化硅作为一种高效、环保的新材料，其市场前景无疑是广阔的。其中：

碳化硅在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子 漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具 有显著优势，进一步满足了现代工业对高功率、高 电压、高频率的需求。以碳化硅为衬底制成的功率 器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能，可以 满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及 抗辐射等恶劣工作条件的新要求，从而成为半导 体材料领域最具前景的材料之一。未来，以碳化硅 （SiC）为代表的第三代宽禁带半导体将成为半导 体产业升级的关键。

半导体材料目前已经发展至第三代。传统硅基半导体由于自身物理性能不足以及受限于摩尔定律，逐渐不适应于半导体行业的发展需求，砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体也因而诞生。从技术来看，半导体材料目前已发展了三代。第一代半导体材料以传统的硅（Si）和锗（Ge）为代表，是集成电路制造的基础，广泛应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的；第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和磷化镓（GaP）为代表，相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，广泛应用于光电子和微电子领域；第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等新兴材料为代表。

3.1国内现状

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的典型代 表，与第一代半导体材料硅（Si）相比，拥有更加优 异的物理化学特性，使得碳化硅器件能降低能耗 20%以上、减少体积和重量30%~50%，降低碳排放 量20%以上，实现电力电子系统的高效化、小型化、 轻量化和低耗化。因此，碳化硅电力电子器件将广 泛应用于电动汽车、轨道交通、智能电网、通信雷 达和航空航天等重要国民经济和军工领域。国际上 部分国家在该领域起步早，6英寸碳化硅衬底已经 量产，8英寸已研制成功。而国内以4英寸为主，6英 寸尚处在攻关阶段。我国碳化硅单晶衬底材料长期 依赖进口，其高昂的售价和不稳定的供货情况大大 限制了国内相关行业的发展。目前，中国有碳化硅 冶炼企业200多家，年生产能力220多万吨（其中：绿碳化硅块120多万吨，黑碳化硅块约100万吨）；加工制砂、微粉生产企业300多家，年生产能力200多万吨 ，国内碳化硅产业厂商见下表。

表 国内产业链中的知名企业

2018年，山西省政府与中电科集团达成战略合 作关系，展开全方位合作。通过吸引上游企业，形成 产业聚集效应，打造电子装备制造、三代半导体产 业生态链，建成国内最大的碳化硅材料供应基地。

中国电科（山西）电子信息科技创新产业园项 目包括“一个中心、三个基地”：“一个中心”即中 国电科（山西）三代半导体技术创新中心；“三个基 地”即中国电科（山西）碳化硅材料产业基地、中国 电科（山西）电子装备智能制造产业基地、中国电 科（山西）能源产业基地。这个1000亩的产业园将 串联起山西转型综改示范区上下游十多个产业，带 动山西半导体产业集群迅速发展，实现中国碳化 硅的完全自主供应。其中，中国电科（山西）碳化硅 产业基地一期项目建筑面积2.7万平方米，能容纳 600台碳化硅单晶生产炉和18万片N型晶片的加工 检测能力，可形成7.5万片的碳化硅晶片产能，基地 的粉料合成设备、单晶生长设备都是自主研发生产 的全国产化设备。2020年，碳化硅晶片产量达3万 余片，市场占有率超过50%，公司实现产值27,986 万元；2021年，投资大力提升车间的智能化水平， 建设基于5G技术的智能化、数字化车间，各个生 产环节的技术参数在中控室一屏可视。该项目目 前成为中国前三、世界前十的碳化硅生产企业，可实现年产值10亿元。

新能源汽车、工业电源等应用的推动，全球 电力电子碳化硅的市场规模不断增长，2020年的 市场规模达6亿美元。在竞争格局方面，行业龙头 企业的经营模式以IDM模式为主，主要的市场份 额被Infineon、Cree、罗姆以及意法半导体占据，国 内外厂商的竞争差距较大。

在半导体应用中，SiC主要用于电力电子器件 的制造。从SiC器件制造流程顺序来看，SiC器件的 制造成本中衬底、外延的成本占比最大，其中SiC 衬底成本占比50%，SiC外延的成本占比25%，这两 大工序是SiC器件的重要组成部分。在上游原料供 应方面，高纯石英砂是碳化硅的主要原料之一。因 高纯石英砂的制备成本高、加工工艺要求高，因此 目前全球具备批量生产高纯石英砂的厂商较少，具体参见下表。

下游需求情况来看，2018-2019年，受新能源汽车、工业电源等应用的推动，全球电力电 子碳化硅的市场规模从4.3亿美元增长至5.64亿美 元，2020年的市场规模超过6亿美元。

从全球碳化硅衬底的企业经营情况来看，2018 年美国CREE公司占龙头地位，市场份额达62%，其次 是美国II-VI公司，市场份额约为16%。总体来看，在 碳化硅市场中，美国厂商占据主要地位。

Wolfspeed, Inc.是北卡罗来纳州的一家公司，成立于1987年。该公司是宽禁带半导体的创新者，专注于功率和射频（RF）应用的碳化硅和氮化镓（GaN）材料和器件。公司产品系列包括碳化硅和GaN材料、功率器件和射频器件，产品面向电动汽车、快充、5G、可再生能源和存储、航空航天和国防等多种应用领域。该公司的材料产品和功率器件应用于电动汽车，电机驱动，电源，太阳能和交通应用。该公司材料产品和射频器件应用于军事通信、雷达、卫星和电信等领域。

据各公司官网披露，Wolfspeed投资近10亿美元进行扩产，预计在2017-2024间整体产能，将扩大30倍；ROHM计划在2017年-2024，年间产能扩充16倍；II-VI计划5年内产能扩充5-10倍。根据Yole，全球半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为4英寸）将由2020年的16.56万片增长至2025年的43.84万片，年复合增长率为21.50%。

wolf speed产能释放计划就国内来说，国内在建的碳化硅外延项目，对6英寸导电型碳化硅衬底抛光片的需求量累计每年超过 150 万片。同全球的情况一样，也面临供需不匹配的问题，因此，衬底以及下游外延片的产能也在持续扩张。天岳先进投资20亿元建设上海“碳化硅半导体材料项目”，聚焦于6英寸导电型碳化硅衬底材料生产，计划于2026年达产且达产产能为30万片/年，目前，天岳先进已获得13.93亿元的导电型碳化硅衬底合同订单。露笑科技募集资金约25.67亿元投资碳化硅项目，计划达产产能为24万片/年，目前，露笑科技已获得超15万片衬底需求。

表 厂商产能规划

2022年，Wolfspeed 宣布计划耗资数十亿美元在美国乔治亚州的查塔姆县建立世界上最大的碳化硅材料制造工厂。在如今全球范围最紧迫的挑战之一：从内燃机 (ICE) 技术转向电动汽车 (EV) 技术。Wolfspeed 创始人兼首席技术官约翰·帕尔莫表示，“我们希望我们正在做的事情能够结束 ICE 时代。为了加速转型，更精简化业务。就在不久前，Wolfspeed低价将射频业务卖给半导体设备和组件供应商MACOM，成为目前业内唯一的一家纯碳化硅半导体制造商。

碳化硅（SiC）技术在过去几年中取得了显著的进展，尤其是在半导体行业。碳化硅作为一种高效率、高耐温和高电导率的材料，为半导体领域带来了新的可能性。与传统的硅基半导体相比，SiC半导体在高温和高电压环境下展现出更好的性能，这使得它在电力电子设备中的应用变得极为重要。例如，SiC材料用于电动汽车的电源转换器，可以显著提高能源效率和减小体积。此外，碳化硅在太阳能逆变器、高频通讯系统以及军事应用中也显示出巨大潜力。

市场展望方面，碳化硅技术的迅速发展预示着其市场规模将持续增长。随着电动汽车和可再生能源领域的不断扩张，对高效能、高耐用的SiC半导体的需求正日益增加。根据市场研究，碳化硅半导体的市场预计将在未来几年内实现显著增长。此外，由于其在高温和高电压下的优越性能，SiC在工业和电网应用中的使用也在不断扩大。尽管碳化硅制造成本相对较高，但随着制造技术的进步和规模化生产，成本预计会逐渐降低，这将进一步推动碳化硅技术的市场渗透和应用领域的拓展。总的来说，碳化硅技术在未来的高科技领域中扮演着越来越重要的角色，市场前景广阔。

[1]李景,黄佳,李国鹏等.国内外碳化硅标准比对分析[J].标准科学,2024(01):101-113.