碳化硅已發力軌道交通市場，如今又迎來新的大機遇。 碳化硅有望顯著提高效率并減小飛機電力轉換器技術的尺寸和重量。使用碳化硅半導體的電源系統能夠實現更高的功率密度、電壓、溫度和頻率，同時減少散熱。

5月24日，日本電裝與美國霍尼韋爾國際公司發布公告稱，雙方已簽署了一項長期協議，將聯合開發和制造用于飛機的電動推進系統，以滿足城市空中交通（UAM）等需求。

電裝公司表示，UAM電動飛機是較小型的飛機之一，比較容易利用汽車的電氣化技術，電裝公司將通過使用碳化硅等技術，開發出逆變器和大功率電動機。此前，電裝發布了一款用于電動飛機的原型電動機，該電動機的輸出密度達到了汽車的三倍以上。

2020年6月，霍尼韋爾（中國）發布了一種專為城市空中交通（UAM）和電動飛機設計的微蒸氣循環系統（MicroVCS）冷卻解決方案，其中就帶有碳化硅開關的電力電子設備，相比其他傳統蒸汽循環系統，該系統的重量減輕了35％，效率提高了20％。

另外，豐田汽車已經投資并在研發eVTOL技術，而豐田是電裝的最大股東，其電動飛機采用電裝的碳化硅也是很自然的事情。

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碳化硅功率半導體器件優勢

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導體材料，在熱、化學、機械方面都非常穩定。C 原子和Si 原子不同的結合方式使SiC 擁有多種晶格結構，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因為其較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，常被用來做功率器件。

SiC 功率器件的發展歷史

SiC 器件相對于Si 器件的優勢主要來自三個方面： 降低電能轉換過程中的能量損耗、更容易實現小型化、更耐高溫高壓。

降低能量損耗。 SiC 材料開關損耗極低，全SiC 功率模塊的開關損耗大大低于同等IGBT模塊的開關損耗，而且開關頻率越高，與IGBT模塊之間的損耗差越大，這就意味著對于IGBT 模塊不擅長的高速開關工作，全SiC 功率模塊不僅可以大幅降低損耗還可以實現高速開關。

低阻值使得更易實現小型化。 SiC 材料具備更低的通態電阻，阻值相同的情況下可以縮小芯片的面積，SiC 功率模塊的尺寸可達到僅為Si 的1/10 左右。

更耐高溫。 SiC 的禁帶寬度3.23ev，相應的本征溫度可高達800 攝氏度，承受的溫度相對Si 更高；SiC 材料擁有3.7W/cm/K 的熱導率，而硅材料的熱導率僅有1.5W/cm/K，更高的熱導率可以帶來功率密度的顯著提升，同時散熱系統的設計更簡單，或者直接采用自然冷卻。

SiC 能大大降低功率轉換中的開關損耗

SiC 更容易實現模塊的小型化、更耐高溫

碳化硅功率半導體器件相較于硅基功率器件優勢

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????????????碳化硅功率半導體器件產業鏈

碳化硅功率半導體器件從上個世紀70年代開始研發，經過30年的積累，于2001年開始商用碳化硅SBD器件，之后于2010年開始商用碳化硅MOSFET器件，當前碳化硅IGBT器件還在研發當中。

碳化硅功率器件發展歷程

資料來源：太平洋證券

碳化硅功率器件整個生產過程大致如下圖所示，主要會分為碳化硅單晶生產、外延層生產、器件制造三大步驟，分別對應產業鏈的襯底、外延、器件和模組三大環節。

碳化硅功率器件生產過程

襯底方面：通常用Lely法制造，國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡，且已經開發出8英寸導電型襯底產品，國內襯底以4英寸為主，質量相對薄弱，主要用于生產10A以下小電流產品，目前單晶生長緩慢且品質不夠穩定是碳化硅價格高、市場推廣慢的重要原因。

外延方面：通常用PECVD法制造，目前國內部分公司已能提供4、6英寸碳化硅外延片，品質尚可，針對1700V及以下的器件用的外延片已比較成熟，但對于高質量厚外延的量產技術主要還是國外的Cree、昭和等少數企業具備。

器件方面：國際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET已實現量產，國內目前MOSFET量產還有待突破，產線方面都在往6英寸線過渡，并且Cree已開始布局8英寸線，器件的價格走勢上，目前的價格是硅器件的5-6倍，且以每年10%的速度下降，隨著上游擴產的加劇以及應用的不斷拓展，有望在2-3年后降到硅器件的2-3倍，從而帶動系統層面的價格與傳統方案持平或更低，在制程上，大部分設備與傳統硅生產線相同，但由于碳化硅具有硬度高等特性，需要一些特殊的生產設備，如高溫離子注入機、碳膜濺射儀、量產型高溫退火爐等，其中是否具備高溫離子注入機是衡量碳化硅生產線的一個重要標準。

目前整個產業鏈上主要有如下代表性企業，并且由于碳化硅分立功率器件的性能與材料、結構設計、制造工藝之間的關聯性較強，同時為了加強成本的控制與工藝品控的改進，不少企業仍選擇采用IDM模式，如Cree和Rohm甚至覆蓋了碳化硅襯底、外延片、器件設計與制造全產業鏈環節，其中Cree占據襯底市場約40%份額、器件市場約25%份額，并且Infineon、Cree、Rohm、ST四家合計占有全球器件市場近90%的份額，均為IDM模式。

重要 SiC 企業梳理

1、Cree

Cree 旗下的 Wolfspeed 是生產 SiC 肖特基二極管、SiC MOSFET 元件以及模塊，以及 GaN 器件的先驅公司，在 SiC/GaN 材料方面具有 30年經驗，在 SiC 功率市場與 GaN 射頻器件市場具有領導地位。

在 SiC 功率器件市場，Wolfspeed 占據市場最大的份額，是行業第一家商用 SiC MOSFET 的企業，服務上千家客戶；在GaN 射頻器件市場， Wolfspeed 市場份額位居第二，具備十年以上的 GaN HEMT 生產經驗，出貨量超過 1500 萬只；在 SiC 材料市場，Wolfspeed 是第一家提供商業化 SiC 晶圓產品的企業（1991 年），且在其后的 30 年發展中引領了SiC 晶圓尺寸的由小變大（目前為 8 寸），是名副其實的市場引領者。

Wolfspeed同時提供 GaN-on-SiC 代工服務，改變了行業傳統的 IDM業態。作為 GaN-on-SiC MMIC 技術的領導者，公司運用世界上最大的寬禁帶半導體生產線為客戶提供從設計協助到制造、測試服務，縮短下游客戶產品推出周期。

2、英飛凌

Infineon是市場上唯一一家提供涵蓋 Si、SiC 和 GaN 等材料的全系列功率產品的公司，開發的CoolSiC技術具備非常大的潛力。Infineon于1992年開始 SiC 領域研發，2001 全球首次 SiC 二極管推出商業市場，于 2006年推出全球首個采用 SiC 組件的商用電源模塊，目前已經已經發展至第五代。公司近年在奧地利投入三千五百萬歐元對 SiC 設備和相關工藝的研發。

2018 年 2 月 Infineon 與 Cree 宣布簽訂了戰略性長期供貨協議，負責向后者提供SiC 晶圓；11 月收購 Siltectra 獲得 Cold Split 技術，相比傳統研磨 90％的材料浪費，該技術將耗材成本降低 50％，并將整體切片成本降低 30％。

3、ROHM（羅姆半導體）

ROHM 是日本首家、全球第四家具備 SiC 器件量產能力的半導體廠商，其優勢在于實現從襯底到模塊的垂直整合。根據 Yole 的統計，Infineon和 Cree 兩家公司占據了整個 SiC 市場份額 68%，其后便是 ROHM。為了把握 SiC 材料快速增長的機遇，根據公開業績說明會，公司計劃分批投入共計 600 億日幣，至 2025 年時將 SiC 的產能提升至 2017 年的 16倍。力爭到 2025 年，ROHM 能在全球 SiC 市場的份額達到 30%。

| 來源：本文內容綜合自GaN世界、中泰證券等

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