（报告出品方/作者：国信证券，胡剑、胡慧）

1碳化硅：能量转换链的材料变革

碳化硅（SiC）是一种由碳和硅两种元素组成的宽禁带化合物半导体材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点。由于碳化硅宽能带（~3.2eV）的物理性质，又称为宽禁带半导体。经过几十年的发展，硅（Si）作为半导体行业的基础材料，完成了全球95%以上的集成电路的制造；随着电子的发展，化合物半导体如砷化镓（GaAs）、碳化硅、氮化镓（GaN）等也逐渐渗透到下游应用中。按在下游应用中出现的先后顺序，半导体主要的可分为三类：

一、锗、硅等半导体材料：硅拥有1.1eV的禁带宽度以及氧化后非常稳定的特性，广泛应用于电力电子、光伏等领域。二、砷化镓、锑化铟等半导体材料：砷化镓拥有1.4eV的禁带宽度以及比硅高五倍的电子迁移率，主要用于手机等需要高频率的通信应用中。三、以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料：有更高饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，适合大功率、高温、高频、抗辐照的应用场合。

半导材料发展至今，硅材料已经接近完美晶体。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅的物理极限。基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小，而以氮化镓、碳化硅为代表的、半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

为什么要用碳化硅？

（1）与Si相比，SiC在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命性的突破。SiC击穿场强是Si的10倍，这意味着同样电压等级的SiCMOSFET外延层厚度只需要Si的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低；且SiC禁带宽度是Si的3倍，导电能力更强。同时，SiC热导率及熔点非常高，是Si的2-3倍。此外，SiC电子饱和速度是Si的2-3倍，能够实现10倍的工作频率。

（2）与IGBT相比，SiC可以同时实现高耐压、低导通电阻、高频三个特性。在V以上的应用中，对于Si材料来说，为了改善由于器件高压化所带来的导通电阻增大的问题，主要使用绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等为代表的少数载流子器件。IGBT中，由于少数载流子积聚使得其在关断时存在拖尾电流，继而产生较大的开关损耗，并伴随发热。而SiC是具有快速器件结构特征的多数载流子器件，开关关断时没有拖尾电流，开关损耗减少74%。

以Wolfspeed提供的碳化硅模块为例，在代替硅IGBT后，逆变器输出功率可增至2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度为原有3.6倍。一方面，碳化硅模块可减小开关损耗，改善电源效率并且简化散热系统，如散热器小型化、水冷/强制风冷改为自然冷却；另一方面，碳化硅模块工作频率高频化，可实现外围器件(电感和电容器等)的小型化。

此外，碳化硅的加入还可使得系统整体成本下降，以22kW双向OBC为例，SiC系统成本与Si相比，减少了15%；同时能量密度是Si系统的1.5倍，通过减少能耗每年可减少40美元左右的单位成本。

碳化硅材料：发挥碳化硅优势的最关键环节

根据Si，C原子的排列顺序不同，SiC晶体对应结构不同，目前发现的SiC大约有多种晶体结构形态，其中，仅有α晶型4H（4H-SiC）可以用来制造功率器件。

据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型衬底。导电型SiC衬底可通过N和Al作为掺杂剂实现N型和P型导电性，目前产品以N型为主（氮气掺杂），电阻率通常低于0.02Ω·cm，晶体生长

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