中国SiC，卷赢了？

碳化硅 (SiC) 因其比硅 (Si) 具有更高的击穿场强和更大的带隙，作为下一代功率半导体材料，尤其在高温高压应用领域，SiC正受到越来越多的关注。自 2000 年代以来，SiC 功率器件的研究和开发也取得了显著进展。

日前，京都大学工程研究生院的木本恒信教授就SiC迄今为止的研究开发、在功率器件中实际应用的途径以及进一步利用的未来挑战等进行了分享。

碳化硅过去20年进步明显

尽管20世纪80年代和90年代，大学的基础研究取得了长足的进步，但当时工业界几乎没有人对SiC作为功率器件材料感兴趣，也无法预料到它会像今天这样得到广泛的应用。当时的功率器件材料是100%的Si，几十年来，人们一度认为“一切始于Si，也终将以Si结束”。然而，过去20年，SiC在工业界取得了巨大的进步。

对于SiC而言，商业化的早期挑战在于晶体中种类繁多的缺陷。许多研究机构对缺陷进行了分类，并研究了每种缺陷的影响以及它们是否会造成重大问题。从那时起，人们已经确定了需要消除的缺陷，并在控制这些缺陷方面取得了进展，SiC晶圆中的缺陷密度目前已降低了一个数量级。

当然，模拟技术的进步也产生了重大影响。在晶体生长领域，过去是一个反复试验的过程，但现在能够高精度地模拟热量、气流、化学反应等因素。温度不均匀容易导致SiC晶圆出现缺陷，但现在可以确定防止出现缺陷所需的设备形状，再加上实验努力，缺陷减少，晶圆直径也得到了较大发展。

SiC的发展，也得益于社会的节能趋势。信息技术和人工智能的进步导致电力需求持续增长。这导致对可再生能源的使用、电力的有效利用和效率提升的需求不断增长，从而促使全球政府支持和私人投资增加。

SiC的普及，还有一个重要原因就在于其晶圆价格在过去20年里大幅下降。在过去，3英寸到4英寸晶圆的价格高达7200人民币到9600人秘麻痹，而如今即使是8英寸SiC晶圆的价格也只有4800元人民币左右，单位面积成本下降了近一个数量级。未来，SiC晶圆价格甚至有望与硅晶圆持平。

特斯拉是市场扩张的催化剂

对于SiC产业，2001年是第一个转折点。那一年是值得纪念的一年，英飞凌科技公司（以下简称“英飞凌”）在全球率先开始小规模量产SiC二极管。然而，当时SiC二极管的用途仅限于高端服务器的部分电源，市场规模也只有5000万元左右。

下一个划时代的产品出现在2010年，当年，Cree（现Wolfspeed）和ROHM成功实现了SiC晶体管的量产。这无疑是个重大新闻，但当时的市场规模仅为2.5亿人民币左右，与整个功率器件市场的规模相比几乎为零。

2018年，特斯拉在其电动汽车（EV）中采用了意法半导体的SiC功率器件，市场迅速扩张。众所周知，SiC的性能优于Si，但人们担心成本和可靠性，所以我认为这是一个巨大的风险。SiC功率器件的成功应用，使得“SiC可以用于汽车”的意识日益增强，其他公司也开始采用它们。

自2020年左右以来，SiC市场稳步增长，中国厂商纷纷在其电动汽车中用上SiC模组。日本丰田汽车公司于2025年5月宣布将在插电式混合动力汽车（PEHV）中采用SiC功率元器件。这也是一项重要举措。电动汽车面临充电基础设施等挑战，其普及程度尚存争议，但如果插电式混合动力汽车（PHEV）也搭载SiC，SiC的普及将有望进一步扩大。2024年的市场规模将达到约300亿人民币，这对于化合物半导体而言是一个庞大的市场。与此同时，SiC在铁路车辆领域的开发也在不断推进，其对社会的影响也日益增强。

中国SiC逆袭，晶圆全球第一

伴随着中国新能源汽车的崛起，中国SiC的发展也是非常迅猛。

木本恒信教授也认为，中国目前在SiC晶圆尺寸、质量和成本降低等各个领域都处于世界领先地位。中国直到2010年代才开始关注SiC研发，这使其成为全球后来者，这可能是由于其进行了大量的模拟和实验。自20世纪80年代以来就一直在进行研究的日本、美国和德国已经被中国超越。木本恒信教授强调，中国并没有发明出一种全新的方法，只是投入的资源不同而已。

与此同时，中国在器件开发方面也发展迅速，但日本企业在尖端器件开发方面处于领先地位，尚未落后。日本比中国领先一到两代。不过，日本的SiC晶圆与中国无法比你。

日本拥有完整的功率器件生态系统，涵盖从晶圆制造商到器件制造商。晶圆领域的信越化学和SUMCO等公司，以及器件领域的东芝、三菱电机、罗姆和瑞萨电子等公司，都积累了硅片领域的经验。功率器件通常以模块或系统而非芯片的形式出售，因此日本的优势在于能够配置这些解决方案的人才和技术。

在木本恒信教授看来，中国本土企业仍然缺乏足够的经验。目前，曾在美国公司从事功率器件开发的工程师正在回国继续开发。差距正在缩小，但木本恒信教授对中国在模块和系统组装方面的经验尚不清楚。

木本恒信教授认为，在最佳时机进行大规模投资的公司才是赢家。这是一个艰难的决定，但日本企业需要进行能够击败海外公司的规模投资，既不能错过时机，也不能三心二意地进行投资，否则将无法跟上世界的发展速度。

此外，降低成本也是一个重要课题。目前，为了确保可靠性，需要进行出货前筛选，这需要耗费大量的时间和金钱。为了降低成本，例如取消这一工序，仍有技术开发的空间。木本恒信教授认为，在这方面，积累了丰富的缺陷相关专业知识的日本可以发挥其优势。

一些公司目前受到电动汽车市场暂时放缓的影响，但他们需要继续改进生产线和技术，以便在下一波浪潮来袭时能够立即发货。

600V市场，竞争激烈

木本恒信教授介绍说，功率器件是迄今为止最受欢迎的应用。其市场规模接近500亿人民币，硅的霸主地位从未被如此大规模地打破过。

除了汽车和数据中心之外，SiC JFET 的应用还包括英飞凌等公司正在开发的直流断路器。从长期以来机械化的保险丝和继电器转向半导体是一个重大变革。其潜在用途包括控制电网，以最大限度地减少可能对社会造成重大影响的停电范围。此外，尽管 SiC 并非功率器件，但各大学也在开展利用 SiC 缺陷的传感器的基础研究。

它们很可能在电压方面与氮化镓 (GaN) 展开竞争。GaN 在 100V 或 300V 等低压下非常强大。木本恒信教授预计，随着 GaN 在小型电机和家用电器等应用中取代硅，其市场将继续增长。此外，随着垂直 GaN 功率器件的实用化，它们或许能够在高电流和高电压方面与 SiC 展开竞争。这很有意思，但由于 SiC 和 GaN 的理想特性几乎相同，随着两者技术水平的提升，竞争最终将归结为成本和可靠性的较量。

600V电压市场是一个有趣的市场。Si具有低成本和可靠性，SiC具有高电流能力，而GaN具有高速开关能力，因此这很可能是一个激烈的战场。

目前面临的挑战

对于SiC而言，一个持续存在的问题是，SiC MOSFET 中 SiC 与氧化膜（SiO2）界面存在大量缺陷。世界各地一直在研究这个问题，但这在过去 20 年是否取得了重大进展仍值得怀疑。SiC 的缺陷数量是 Si 的 100 多倍，这阻碍了 SiC 充分发挥其潜力。SiC 的电阻比理想值高出两到三倍。

目前，SiC 的性能优于 Si，因此其应用正在不断扩大。但如果我们能将 SiC 的电阻减半，就能将芯片面积减半。这也能提高良率，使成本降至一半以上，几乎与 Si 相当。如果实现这一点，SiC 将迎来爆炸式增长，节能效果也将显著提升。

要实现这一目标，突破必不可少，而学术界在其中扮演着重要的角色。回归基础的研究将变得越来越重要。近年来，诸如第一性原理计算之类的学术领域已经出现，它们可以高精度地预测各种缺陷的结构和性质，因此在利用这些技术的同时进行“再次研究”至关重要。

此外，随着SiC功率器件的普及，可靠性问题也日益凸显。可靠性是功率器件的一个重要方面，不仅在正常运行时，而且在发生事故时也同样重要。SiC的导通电阻比Si低，因此在负载短路时可能会有大电流流过，从而损坏晶体管，因此必须设计保护电路。这种可靠性在未来很可能成为一大难题。

“即使过了20年，仍然没有人能够从根本上解决与氧化膜结合界面的缺陷，所以我们想找到新的方法来取得突破。SiC虽然已经投入实际应用，但它仍然是一种有趣的材料，存在许多我们尚不了解的现象。”木本恒信教授最后说。