碳化硅材料与技术发展 - 碳化硅因其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，在高温高压应用领域受到越来越多的关注 [1] - 过去20年，碳化硅在工业界取得巨大进步，商业化的早期挑战在于晶体中种类繁多的缺陷，通过研究分类和模拟技术进步，缺陷密度已降低一个数量级 [3] - 模拟技术的进步使晶体生长从反复试验变为可高精度模拟热量、气流等因素，从而减少缺陷并促进晶圆直径发展 [3] 市场驱动因素与成本趋势 - 信息技术和人工智能进步导致电力需求持续增长，推动了对可再生能源和电力高效利用的需求，促使全球政府支持和私人投资增加 [4] - 碳化硅晶圆价格在过去20年里大幅下降，过去3-4英寸晶圆价格高达7200-9600人民币，如今8英寸晶圆价格约4800元人民币，单位面积成本下降近一个数量级 [4] - 未来碳化硅晶圆价格甚至有望与硅晶圆持平 [4] 产业发展历程与关键节点 - 2001年是第一个转折点，英飞凌在全球率先开始小规模量产碳化硅二极管，当时市场规模约5000万元 [6] - 2010年，Cree和ROHM成功实现碳化硅晶体管量产，当时市场规模约2.5亿人民币 [6] - 2018年，特斯拉在其电动汽车中采用意法半导体的碳化硅功率器件，市场迅速扩张，使得“碳化硅可以用于汽车”的意识增强 [6] 当前市场规模与未来应用 - 自2020年左右以来，碳化硅市场稳步增长，中国厂商在电动汽车中采用碳化硅模组，丰田汽车宣布2025年在插电式混合动力汽车中采用碳化硅 [7] - 2024年碳化硅市场规模预计达到约300亿人民币，对于化合物半导体而言是一个庞大市场，在铁路车辆领域的开发也在推进 [7] - 功率器件是碳化硅最受欢迎的应用，其市场规模接近500亿人民币 [12] 全球竞争格局 - 中国在碳化硅晶圆尺寸、质量和成本降低等各个领域都处于世界领先地位，尽管在2010年代才开始研发，但已超越自20世纪80年代就开始研究的日本、美国和德国 [9] - 日本企业在尖端器件开发方面领先中国一到两代，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 [9] - 中国本土企业仍然缺乏足够的经验，但曾在美国公司从事功率器件开发的工程师正在回国，差距正在缩小 [10] 技术挑战与可靠性问题 - 碳化硅MOSFET中碳化硅与氧化膜界面存在大量缺陷，缺陷数量是硅的100多倍，这阻碍了碳化硅充分发挥其潜力，使其电阻比理想值高出两到三倍 [15] - 如果能将碳化硅的电阻减半，就能将芯片面积减半，提高良率并使成本降至一半以上，几乎与硅相当 [15] - 随着碳化硅功率器件普及，可靠性问题日益凸显，特别是在负载短路时可能有大电流流过损坏晶体管，必须设计保护电路 [15] 未来技术竞争 - 碳化硅在电压方面可能与氮化镓竞争，氮化镓在100V或300V等低压下非常强大，市场将继续增长，随着垂直氮化镓功率器件实用化，或许能在高电流和高电压方面与碳化硅竞争 [12] - 600V电压市场将成为激烈战场，硅具有低成本和可靠性，碳化硅具有高电流能力，而氮化镓具有高速开关能力 [13] - 碳化硅和氮化镓的理想特性几乎相同，随着两者技术水平提升，竞争最终将归结为成本和可靠性的较量 [13]