碳化硅材料主要包括单晶和陶瓷2大类，无论作为单晶还是陶瓷，碳化硅材料已经成为半导体、新能源汽车、光伏等三十亿赛道的关键材料之一。例如：
就单晶而言，碳化硅作为目前最成熟的第三代半导体材料，可谓是近年来最热门的半导体材料。尤其是在“双碳”战略背景下，碳化硅与新能源汽车、光伏、储能等节能减碳行业深度绑定。
在陶瓷中，碳化硅以其优异的高温强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨、高导热、耐腐蚀等性能，近年来随着新能源汽车、半导体、光伏等行业的发展需求的爆发，深入到这些新兴领域产业链的关键环节。
今天，我们分别从单晶和陶瓷方向，看看碳化硅材料如何在这些热点赛道上大杀四方。
单晶/半导体
横空出世，解决硅基器件难以满足的性能需求
硅长期以来一直是制造半导体芯片最常用的材料，目前90%以上的半导体产品都是采用硅作为衬底。原因是硅储量大、成本相对较低、制备相对简单。但硅在光电和高频大功率器件领域的应用受到阻碍，且硅在高频下的性能较差，不适合高压应用场景。这些限制使得硅基功率器件越来越难以满足新能源汽车、高铁等新兴应用中器件的高功率和高频性能需求。
在此背景下，碳化硅成为人们关注的焦点。与第一代、第二代半导体材料相比，SiC具有一系列优异的物理化学性能，除了带隙宽度外，还具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高流动性的特点。 SiC的临界击穿电场是Si的10倍，GaAs的5倍，提高了SiC基器件的电压容量、工作频率和电流密度，降低了器件的导通损耗。再加上比Cu更高的导热系数，该器件在使用时不需要额外的散热装置，减小了整机的体积。此外，SiC器件具有极低的开关损耗，并且可以在非常高的频率下保持非常好的电气性能。例如，从基于Si器件的三电平方案切换到基于SiC的两电平方案，可以将效率从96%提高到97.6%，并降低功耗高达40%。因此，SiC器件在低功耗、小型化和高频应用场景中具有巨大优势。
碳化硅器件成为新能源汽车、光伏等热门赛道追逐的“蛋糕”。
（一）新能源汽车
碳化硅材料可以使器件体积越来越小，性能也越来越好，因此近年来受到电动汽车厂商的青睐。五年前，特斯拉率先在model3主驱逆变器上使用碳化硅，开启了碳化硅“汽车上”的先河。此后，比亚迪、吉利、上汽大众、蔚来等车企加速布局，在提高续驶里程、实现超级快充、实现V2G功能等方面加大马力，电动汽车销量的持续增长也引领市场对碳化硅功率器件的需求，掀起了一场持续至今的碳化硅“汽车热”。
此外，在车载充电器中，使用碳化硅可以获得更快的开关频率FSW、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。因此，目前根据碳化硅器件的特点和电动汽车的发展趋势，碳化硅器件或者是未来电动汽车的必然选择。
（二）轨道交通
与传统硅基IGBT相比，碳化硅功率器件可以有效提高开关频率，降低开关损耗，其高频可以进一步降低无源器件的噪声、温度、体积和重量，提高无源器件的移动性和灵活性。装置应用，这是新一代牵引逆变器技术的主流发展方向。目前，SiC器件已在城市轨道交通系统中得到应用，苏州铁路3号线0312次列车是国内首个基于SiC变流器技术的永磁直驱牵引系统项目，实现了牵引节能20%的目标。 2012年，东京地铁银座线进行了全球首次SiC器件装载运行测试。日本自2015年起开始在铁路车辆上大量采用SiC器件，到2021年进入广泛应用阶段。
全碳化硅永磁直驱地铁列车
(3)光伏发电
在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统的10%，但却是系统能量损耗的主要来源之一。经过40多年的发展，硅基器件的转换效率和功率密度已经接近理论极限。采用碳化硅材料可使转换效率从96%提高到99%以上，降低能耗50%以上，设备循环寿命提高50倍。例如，在住宅和商业设施光伏系统的串式逆变器中，碳化硅器件在系统层面带来成本和性能优势。 Solar Power等领先的光伏逆变器公司已将碳化硅器件应用到其系列逆变器中。
(4)智能电网
碳化硅功率开关因其极低的开态电阻，且可应用于高压、高温、高频场合，是硅基器件的理想替代品，如果采用碳化硅功率模块，相比采用硅电源器件，开关损耗引起的功率损耗可降低5倍以上，体积和重量减少40%，将对未来电网形式和能源战略调整产生重大影响。
(5)无线通讯设施
5G的发展推动硅基氮化镓器件需求增长，市场空间广阔。在微波射频器件中，功率放大器直接决定移动终端与基站之间的无线通信距离、信号质量等关键参数，而高频、高速率、大功率等5G通信特性对其性能提出了更高的要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件具有碳化硅的高导热率和氮化镓在高频段高功率射频输出的优点，其在功率放大器中的应用可以满足5G通信对高频性能和功率放大器的要求。高功率处理能力。
资本押注半导体寒冬中的碳化硅
在半导体行业的下行周期中，这并不是一片悲观的声音，碳化硅就是萎靡不振的反例。近年来，资本市场对碳化硅的强烈关注。
2021年，多家碳化硅企业获得了投资机构的青睐，纷纷宣布完成融资，行业内也掀起了融资浪潮。
2022年也是碳化硅投融资的一年。据不完全统计，2022年全年投融资并购金额超过33亿元，数量达到30余起。仅2022年12月，就有7起融资案例，包括真驱动科技、核心保利能源等。 、亿文科技、展芯电子、南沙晶圆等
2023年上半年刚过，碳化硅企业融资额创下近三年来新高。今年Q1，碳化硅领域共有21笔融资，包括外延、衬底、材料、设备、功率器件……融资几乎覆盖了国内碳化硅全产业链。在这21家企业中，除了部分企业未披露融资金额外，有10家企业获得了1亿元以上的融资，约占总数的50%。其中，融资金额最大的是天宇半导体，金额为12亿。今年第二季度，融资金额超过10笔，总金额超过50亿元。
建厂、扩大生产并未停止
数据显示，上半年，碳化硅相关扩产项目及预计资本支出加起来超过1000亿元（折算人民币），扩产内容主要围绕衬底、外延、器件，应用方向多以电动汽车为主。
今年1月，德国博世集团在苏州发布重大消息：再投资10亿美元建设新能源汽车核心零部件及自动驾驶研发制造基地项目，生产内容包括碳化硅功率模块。随后在4月，博世决定收购半导体制造商TSI Semiconductors，并再投资15亿美元扩大第三代半导体产量，以满足电动汽车市场的需求。
今年2月，美国半导体制造商Wolfspeed正式宣布计划在德国萨尔州建设全球最大、最先进的碳化硅器件制造工厂。该工厂将成为世界上最大的八英寸半导体工厂，采用创新制造工艺生产下一代碳化硅器件。
与此同时，国内碳化硅扩产动作并未停止。
今年6月，三安光电与意法半导体联合宣布，双方拟投资32亿美元（约228亿元人民币）建设8英寸碳化硅外延芯片代工厂。同时，三安光电将建设8英寸碳化硅衬底工厂作为配套设施，预计总投资70亿元。此外，天科合达、韩天天、天悦先进等公司也公布了新的投资和扩张计划。
陶瓷方面
陶瓷，常见的陶瓷材料有碳化硅、氧化铝、氮化硅等，其中碳化硅材料因其具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变等特性，作为优异的结构陶瓷和高温材料，在锂电、半导体、光伏等领域得到了越来越多的应用。
光刻机等半导体设备精密部件的常用材料
陶瓷是刻蚀机、镀膜显影机、光刻机、离子注入机等关键半导体设备中的关键部件材料，其成本已占半导体设备成本的10%以上。其中，碳化硅陶瓷广泛应用于半导体制造从前到后的工艺装备，如在研磨抛光吸盘、光刻吸盘、检测吸盘、精密运动平台、蚀刻的高纯碳化硅零件等。环节，精密运动系统在包装和检测环节等，都是极其重要的。
(1)在光刻机中
在高端光刻机中，为了达到较高的加工精度，需要广泛采用功能复合性好、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度好的陶瓷零件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、magnet等。钢架水冷板、镜子、导轨等。在这方面，碳化硅陶瓷就足够了。
(2)在蚀刻设备中
在蚀刻设备中，等离子体通过物理作用和化学反应会对设备器件表面造成严重腐蚀，一方面缩短零件的使用寿命，降低设备的性能，另一方面，腐蚀过程中产生的反应产物会挥发、脱落，并在工艺室中产生杂质颗粒，影响室的清洁度。因此，腔体及腔体构成材料的耐等离子蚀刻性变得非常重要。
SiC作为刻蚀机腔体材料，与石英相比，材料本身产生的杂质污染较少，由于机械性能更加优异，在等离子轰击其原子表面时，原子损失率相对较小，三井报道了一种SiC复合材料作为空气蚀刻机腔体材料，具有较高的耐腐蚀性。
就聚焦环组件而言，其作用是提供平衡的等离子体，要求具有与硅片类似的导电性。过去使用的材料主要是导电硅，但含氟等离子体与硅反应生成挥发性氟化硅，大大缩短其使用寿命，导致需要频繁更换元件，降低生产效率。 SiC与单晶Si具有相似的导电性，且具有更好的耐等离子刻蚀性能，可用作聚焦环材料。
SiC蚀刻环作为等离子刻蚀中半导体材料的关键耗材，其纯度要求很高。一般只能采用CVD工艺生长SiC厚层块，然后通过精密机械加工制备，主要用于半导体刻蚀工艺的制备。
碳化硅陶瓷窑炉——锂电材料烧结的“幕后工作者”
作为新能源分支，目前锂的燃烧量是多少，无需描述。锂离子电池正极材料、负极材料及电解液的干燥、烧结和热处理等工序，辊道窑是关键的连续生产设备，窑具是窑炉的关键配件，其工业窑炉回收利用，用于支撑或保护耐火制品烧成品在积极材料扩张的带动下，窑具的应用范围不断扩大。碳化硅陶瓷窑炉以其优异的高温力学性能、耐火性和抗热震性应用于陶瓷窑炉，可以提高窑炉的生产能力，大大降低能耗，成为各种窑炉材料中理想的窑炉材料选择。
光伏产业-电池片生产过程中的关键车用材料
碳化硅陶瓷中，碳化硅舟形支架已成为光伏电池生产过程中关键车用材料的良好选择，其市场需求日益受到行业关注。
目前常用的石英舟支架、舟箱、管件等受限于国内外高纯石英砂来源，产能较小，且在单晶炉需求不断增加的背景下作为光伏行业上游的坩埚和中游的硅电池载体耗材，高纯石英砂具有供需紧张、长期高价运行的特点。石英载体作为光伏电池生产过程中承载硅的器件，性能稳定，但与优质低价的耗材选择标准背道而驰。
与石英材料相比，碳化硅材料制成的船支架、船箱、管材制品等热稳定性好，高温使用不变形，无有害污染物析出，作为石英制品的优良替代材料，使用寿命可达1年以上，可大幅降低使用成本及维护和检修造成的生产线损失，成本优势明显。作为交通工具，它在光伏领域有着广阔的应用前景。
IEA数据显示，目前，全球主要经济体光伏渗透率持续提升，在国家政策引导和市场需求的推动下，随着光伏行业用电成本大幅降低，光伏发电已成为全球最经济的电力能源预测，2020-2030年光伏装机容量将以21%的复合年增长率增长至接近5TW。光伏发电占全球装机容量的份额将从9.5%增至33.2%。
终端强劲的装机需求持续带动电池片的高需求，推动光伏行业碳化硅船支架和船箱更换需求上升，预计2025年半导体和光伏行业用碳化硅结构陶瓷占比62%，其中碳化硅结构陶瓷光伏产业将从6%上升至2022年26%，成为增长最快的领域。
简要总结
我们看到，碳化硅材料无论是作为单晶材料，还是作为陶瓷材料，在半导体、锂电池、光伏等当今最热门行业的产业链中都占据了非常重要的地位，其三个产业超过千亿电路市场规模，而且这些行业都在高速增长，可以预见，碳化硅材料的明天是美好的。
