在功率半导体的发展史上，功率半导体可分为三代:
第一代半导体材料:锗、硅等单晶半导体材料。硅的带隙为1.1eV，氧化后非常稳定。
第二代半导体材料:砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料，砷化镓的带隙为1.4电子伏，电子迁移率比硅高5倍。
第三代半导体材料:以碳化硅和氮化镓为代表的宽带隙半导体材料，具有更高的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、高频和抗辐射应用。
第三代半导体材料能够满足现代社会对高温、大功率、高压、高频和抗辐射的新要求，并具有体积小、污染少、运行损耗低等经济和环境效益，因此第三代半导体材料逐渐成为发展的焦点。目前主流的第三代半导体材料是碳化硅和氮化硅。前者多用于智能电网、轨道交通等高压场合；后者在高频领域的应用更大(5G等。).
碳化硅产业已经成为功率半导体器件产业的新战场。
以下是国内碳化硅行业的主要公司:
山东田玉娥:单晶衬底，批量生产4英寸单晶衬底，自主开发6英寸衬底技术。
田可何达:单晶衬底，国内首家建立并完成碳化硅生产线，实现碳化硅晶体产业化的公司，批量生产2-4英寸晶圆。
河北同光:单晶衬底，4寸、6寸导电半绝缘碳化硅衬底；4英寸基板已达到世界先进水平。
田汉天成:外延片，形成3英寸、4英寸、6英寸的完整碳化硅半导体外延片生产线。
天宇半导体:外延片3寸、4寸、6寸碳化硅外延片。
2/13/55中电研究院:器件/模块/IDM，大批量生产高纯碳化硅材料和高纯半绝缘晶圆；实现4-6英寸碳化硅外延片、芯片设计制造、模块封装的完整产业链。
CRRC时代:器件/模块/IDM，中国第一条6英寸碳化硅生产线；实现碳化硅二极管和MOSFET工艺。
世纪金光:器件/模块/IDM，集半导体单晶材料、外延、器件、模块的研发、设计、生产、销售于一体，贯穿第三代半导体整个产业链。
泰科天润:器件/模块/IDM，国内第一条完整的4-6英寸碳化硅器件批量生产线，可实现碳化硅外延上半导体功率器件的制造工艺。
碳化硅功率半导体器件的优点
第三代半导体又称宽带隙半导体，主要以氮化镓和碳化硅为代表。它不同于第一代硅和第二代砷化镓的半导体性能特点，使其具有高带隙、高热导率、高击穿场强、高电子饱和漂移率等优点。从而可以开发更适合于高温、大功率、高压、高频和抗辐射等恶劣条件的小型化电源。
资料来源:半导体应用手册。国源证券研究中心
总的来说，碳化硅的耐高压、耐高温和高频能力分别是硅的10倍、2倍和2倍。与硅基模块相比，由碳化硅二极管和开关管组成的模块(全碳模块)不仅具有碳化硅材料的固有特性优势，而且可以减少模块体积50%以上，减少电子转换损耗80%以上，从而降低综合成本。
资料来源：Rohm，国元证券研究中心资料来源:罗门，国源证券研究中心
碳化硅功率器件发展历程。资料来源：太平洋证券碳化硅功率器件的发展历史。来源:太平洋证券
碳化硅功率器件的整个生产过程大致如下图所示，主要分为碳化硅单晶生产、外延层生产和器件制造三个步骤，对应于产业链中衬底、外延、器件和模块三个环节。
碳化硅功率器件的生产工艺
基材:一般采用Lely法制造。国际主流产品正在从4英寸向6英寸过渡，已经开发出8英寸导电基板产品。国产基材以4寸为主，质量相对较弱，主要用于生产10年以下的小电流产品。目前，单晶生长缓慢、质量不稳定是碳化硅价格高、市场推广缓慢的重要原因。
外延:一般用PECVD制作。目前，一些国内公司已经能够提供质量可接受的4英寸和6英寸碳化硅外延晶片。1700伏以下器件的外延片比较成熟，但高质量、厚外延的大规模生产技术主要为Cree、Showa等少数国外企业所拥有。
在器件方面:600-1700伏的碳化硅SBD和MOSFET已经在世界范围内量产，而国内的MOSFET量产还有待突破。生产线都在向6英寸生产线过渡，克里已经开始铺设8英寸生产线。从器件价格走势来看，目前的价格是硅器件的5-6倍，并且以每年10%的速度下降。随着上游生产扩张的加剧和应用的不断扩大，预计在2-3年内将降至硅器件的2-3倍，从而推动系统层面的价格等于或低于传统方案。在制造工艺方面，大部分设备与传统硅生产线相同。然而，由于碳化硅的高硬度，需要一些特殊的生产设备，如高温离子注入机、碳膜溅射仪、大批量生产的高温退火炉等。其中，是否有高温离子注入机是衡量碳化硅生产线的重要标准。
由于碳化硅分立功率器件的性能与材料、结构设计和制造工艺之间的强相关性，以及为了加强成本控制和改善工艺控制，许多企业仍然选择IDM模式。比如Cree和Rohm甚至覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件设计和制造的整个产业链，其中Cree约占衬底市场的40%左右，器件市场的25%左右，英飞凌、Cree、Rohm、St。
碳化硅功率半导体器件的应用和规模
目前，碳化硅功率器件主要位于1kw至500kw之间，工作频率在10KHz至100MHz之间的场景，特别是在一些对能效和空要求较高的应用中，如电动车车载充电器和电驱动系统、充电桩、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业电源等领域，可以替代部分硅基MOSFET和IGBT。
目前电动汽车车载充电器市场已逐步采用碳化硅SDB，产品集中在1200V/10A和20A。每个车载充电器需要4-8个碳化硅SBD，已被全球20多家汽车制造商采用。
电动汽车的电驱动系统主要是指功率控制单元PCU，它管理电池中的电能与电机之间的流向和传输速度。传统的PCU是由硅基半导体制成的，大电流、高电压通过硅基功率器件时的功率损耗是电动汽车的主要功率损耗源。碳化硅SBD和金属氧化物半导体场效应晶体管的使用可以减少10%的总能量损失，同时减少80%的PCU体积，使车辆更紧凑和更轻。
因此，用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管代替硅基IGBT是电驱动系统发展的必然趋势。预计该市场将在明年碳化硅MOSFET成熟可靠时全面推出。目前特斯拉Model 3的电驱动系统已经采用了ST提供的碳化硅器件，丰田将于2020年正式推出搭载碳化硅器件的电动汽车。
据国际监测系统研究报告显示，2017年碳化硅功率器件的市场份额约为3亿美元，主要集中在光伏逆变器和电源领域。虽然仅占电力设备市场的1.5%，但近年来的复合年增长率一直保持在30%以上。
同时产品结构以二极管为主，占80%以上。未来以电动汽车为主要驱动力，加上MOSFET器件，预计未来8年将超过20亿美元。
在市场结构上，英飞凌目前是SiC器件领域全球最大的企业，市场份额接近40%。Cree、Rohm、ST分别排名第二、第三、第四，市场份额分别为23%、16%、10%，国内替代量较大空。
碳化硅功率半导体的问题
虽然全球碳化硅器件市场已经初具规模，但碳化硅功率器件领域仍存在许多亟待解决的共性问题，如碳化硅单晶和外延材料价格高、材料缺陷未解决、碳化硅器件制造工艺困难、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装无法满足高频高温应用的要求等。
1碳化硅单晶材料
碳化硅单晶材料领域的国际问题主要包括:
大尺寸碳化硅单晶衬底的制备技术还不成熟。目前，世界上碳化硅芯片的制造已经从4英寸变为6英寸，开发了8英寸碳化硅单晶样品。与先进的硅功率半导体器件相比，单晶衬底的尺寸仍然很小，缺陷水平仍然很高。
缺乏更高效的碳化硅单晶衬底加工技术。碳化硅单晶衬底材料的线切割工艺存在材料损耗大、效率低等缺点。为了提高加工效率，有必要进一步发展大尺寸碳化硅晶体的切割工艺。衬底表面处理的质量直接决定外延材料的表面缺陷密度，但大尺寸碳化硅衬底的研磨抛光工艺仍然不能满足要求，因此有必要进一步开发研磨抛光工艺参数，以降低晶片表面粗糙度。
p型衬底技术研发滞后。目前商用的碳化硅产品是单极器件。未来的高压双极器件需要p型衬底。目前碳化硅P型单晶衬底缺陷多，电阻率高，基础科学问题尚未突破，技术发展滞后。
近年来，我国在碳化硅单晶材料领域取得了很大进展，但与国际水平相比仍有一定差距。除上述常见问题外，我国碳化硅单晶材料领域在以下两个方面存在巨大风险:
当地碳化硅单晶企业无法为国内已经/将要投产的6英寸芯片生产线提供高质量的6英寸单晶衬底材料。
碳化硅材料的测试设备完全被外国公司垄断。
2碳化硅外延材料
碳化硅外延材料领域的国际问题主要包括:
n型碳化硅外延生长技术有待进一步完善。目前外延材料生长过程中的气流和温度控制技术还不完善，在6英寸碳化硅单晶衬底上生长高均匀性外延材料的技术还存在一些挑战，在一定程度上影响了中低压碳化硅芯片成品率的提高。
p型碳化硅外延技术还不成熟。高压碳化硅功率器件是双极器件，需要重掺杂P型外延材料。目前还没有低缺陷的高掺杂P型碳化硅外延材料。
近年来，我国碳化硅外延材料技术取得了长足的进步，申请了一系列专利，与其他国家的差距正在缩小。国产4英寸单晶衬底材料已批量使用，产品已进入国际市场。
但是，在以下两个方面存在巨大风险:
目前国内碳化硅外延材料产品以4寸为主，但由于单晶衬底材料的限制，无法批量供应6寸产品。
碳化硅外延材料加工设备的进口将制约我国自主产业的发展。
3碳化硅功率器件
虽然碳化硅器件的技术和产业化水平在世界范围内发展迅速，小范围取代硅基二极管和IGBT的市场化进程已经开始，但碳化硅功率器件的市场优势尚未完全形成，无法撼动目前硅功率半导体器件市场的主导地位。国际碳化硅器件领域的问题主要包括:
碳化硅单晶和外延技术不完善，高质量的厚外延技术不成熟，使得制造高压碳化硅器件非常困难，外延层的缺陷密度制约了碳化硅功率器件向大容量发展。
碳化硅器件的技术水平还比较低，是制约碳化硅功率器件发展和普及的技术瓶颈。特别是高温大剂量高能离子注入工艺、超高温退火工艺、深槽刻蚀工艺和高质量氧化层生长工艺并不理想，使得碳化硅功率器件在不同程度的高温和长期工作条件下存在可靠性低的缺陷。
在碳化硅功率器件的可靠性验证方面，测试标准和评估方法基本遵循硅器件，没有专门针对碳化硅功率器件特性的可靠性测试标准和评估方法，导致测试情况与实际可靠性存在差距。
在测试碳化硅功率器件方面，碳化硅器件的测试设备、测试方法和测试标准基本遵循硅器件的测试方法，导致碳化硅器件的动态特性和安全工作区测试结果不准确，缺乏统一的测试和评估标准。
除上述常见问题外，我国碳化硅功率器件的发展还存在一些问题，如R&D时间短、技术储备不足、碳化硅功率器件R&D科研机构少、R&D团队的技术水平与国外有一定差距，尤其是在以下三个方面:
SiC MOSFET器件研发缓慢，只有少数单位有自主研发能力，存在一定程度上依赖国际代工公司制造芯片的劣势，容易被他人控制，产业化水平不容乐观。
碳化硅芯片的主要加工设备基本被国外公司垄断，尤其是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等。我国用于大规模建立碳化硅生产线的关键设备基本上需要进口。
碳化硅器件高端检测设备被国外垄断。
4碳化硅功率模块
目前，碳化硅功率模块主要有引线键合型和平面封装型。为了充分发挥碳化硅功率器件的高温和高频优势，需要不断降低功率模块的寄生电感，降低互连层的热阻，提高芯片在高温下的稳定工作能力。目前，碳化硅功率模块存在的主要问题有:
由于结电容小，开关速度快，多芯片并联的碳化硅功率模块在开关过程中会有极高的电流上升率(di/dt)和电压上升率(dv/dt)。在这种情况下，会产生严重的电磁干扰和额外损耗，不能充分发挥碳化硅器件的优异性能。
碳化硅功率模块的封装技术和封装材料基本遵循硅功率模块的成熟技术，但在焊接、引线、基板和散热方面的创新不足，功率模块杂散参数大，可靠性低。
碳化硅功率高温封装技术发展滞后。目前，碳化硅器件高温高功率密度封装的技术和材料还不完全成熟。为了充分发挥碳化硅功率器件的高温优势，需要进一步开发先进的烧结材料和工艺，在高温、高可靠性封装材料和互连技术上实现全面突破。
碳化硅功率半导体的5个问题
碳化硅功率器件虽然有广阔的应用前景，但受到价格昂贵等因素的限制。目前为止，市场规模不大，应用范围也不广，主要集中在光伏、供电等领域。目前，碳化硅器件应用中存在的主要问题如下:
碳化硅功率器件的驱动技术还不成熟。为了充分发挥碳化硅功率器件的高频、高温特性，要求其驱动芯片具有工作温度高、驱动电流大、可靠性高的特点。目前驱动芯片采用的是硅器件的驱动技术，不能满足要求。
碳化硅功率器件的保护技术并不完善。碳化硅功率器件具有开关频率快、短路时间短的特点，目前的器件保护技术不能满足要求。
碳化硅器件电路应用的开关模型不能完全反映碳化硅功率器件的开关特性，也不能为碳化硅器件的电路拓扑仿真设计提供准确的指导。
碳化硅功率器件应用中的电磁兼容性问题尚未完全解决。
碳化硅功率器件的电路拓扑不够优化。目前碳化硅功率器件的应用电路拓扑基本遵循硅器件的电路拓扑，没有开发出充分发挥碳化硅功率器件优势的新的电路拓扑结构。
总的来说，第三代半导体技术还处于发展状态，还存在很多不足。以目前使用程度最高的碳化硅为例，仍然存在几个技术缺陷:
材料成本太高。目前碳化硅芯片的技术还没有硅成熟，主要是4寸晶圆，材料利用率不高，而Si芯片的晶圆已经发展到12寸。具体来说，对于相同规格的产品，碳化硅器件的整体价格是硅器件的5-6倍。
过高的温度损失。碳化硅器件虽然可以在高温下工作，但其高温下的高功率损耗很大程度上限制了其应用，这与器件开发之初的目的背道而驰。
包装技术落后。目前，碳化硅模块中使用的密封技术仍然遵循硅模块的设计，其可靠性和寿命不能满足其工作温度的要求。
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