碳化硅比硅拥有更强的耐压能力和更宽的禁带宽度，因此被视为下一代电力器件的核心材料，特别是在耐高温和耐高压的工作场景中，这种材料的优势日益凸显。从21世纪起，关于碳化硅电力元件的探索和制造技术已经获得了长足的进步。

最近，京都大学工程研究生院的木本恒信教授介绍了关于SiC的过去研究进展，说明了它在电力设备中的具体运用方式，并且探讨了往后如何更好地发挥其潜能所面临的难题。

碳化硅过去20年进步明显

20世纪80年代和90年代，大学的基础研究获得了显著发展，但那个时期工业界几乎无人关注SiC作为功率器件材料的潜力，也未能预见到它日后会被广泛采用。当时功率器件材料完全由Si构成，几十年来，人们普遍认为“所有事物都起源于Si，最终也将以Si告终”。然而，过去20年，SiC在工业界取得了巨大的进步。

SiC材料在商业化初期面临的主要困难是晶体内部存在多种类型的缺陷，众多研究组织对这些缺陷进行了归类，并考察了每种缺陷的作用，以及它们是否会引发严重后果，此后人们已经识别出需要去除的缺陷，并在控制这些缺陷方面获得了进步，目前SiC晶圆内的缺陷数量已减少了一个数量级。

模拟技术发展带来了显著改变。晶体生长以往依赖不断尝试，如今能精确模拟热量分布、气流状况、化学变化等要素。温度失衡常引发SiC晶圆瑕疵，现在可明确设计设备形态以避免问题，配合实验改进，瑕疵得以降低，晶圆尺寸也大幅提升。

碳化硅技术的进步，也受到社会节能风潮的推动。信息领域和智能技术的飞跃，使得电力消耗不断攀升。这种状况，催生了对新能源利用、电力资源合理配置以及性能增强的迫切要求，进而带动了各国政府扶持力度和民间资本投入的持续加大。

碳化硅材料之所以应用越来越广泛，关键因素之一是它衬底的成本在过去二十年间急剧降低。早些时候，三英寸到四英寸的衬底价格在七千二百元到九千六百元之间，现在即便是八英寸的碳化硅衬底，价格也仅在四千八百元左右，单平方的造价减少了将近一个数量级。预计往后碳化硅衬底的价格可能会和硅衬底看齐。

特斯拉是市场扩张的催化剂

在SiC行业，2001年标记着首个关键节点，这一年值得铭记，英飞凌公司（简称英飞凌）开创性地在全球范围内启动了SiC二极管的初步工业化生产。不过，当时SiC二极管的应用仅限于高端服务器中的部分供电系统，整体市场容量大约在五千万元上下。

新纪元性的产品于2010年问世，那一年，Cree（现Wolfspeed）与ROHM达成了SiC晶体管的工业化生产。这一成就无疑是值得关注的突破，然而彼时该产品的市场体量仅约2.5亿美元，相对于整个电力器件行业的整体规模来说微不足道。

二零一八年，特斯拉在其电动车辆里选用了意法半导体出品的SiC电力元件，商业版图迅速拓展。普遍认为，SiC的机能要比Si更胜一筹，不过人们对于价格和稳定性存有疑虑，这构成了严峻的挑战。随着SiC电力元件在实践中的成功运用，“SiC适合装在汽车上”的看法逐渐深入人心，众多厂商也纷纷开始采纳这种技术。

近些年，SiC市场持续扩张，国内众多汽车制造商开始在电动车辆上应用SiC组件。与此同时，日本丰田株式会社于2025年5月公开表示，其插电式混合动力车型将选用SiC电力元件，这一决策意义重大。电动汽车存在充电设施等方面的难题，其市场接受度有待观察，但倘若插电式混合动力汽车（PHEV）同样配备SiC材料，SiC的推广前景将更加广阔。预计到2024年，相关市场规模约为300亿元人民币，这构成了化合物半导体领域的一个巨大商机。此外，SiC在铁路机车车辆方面的应用也在持续深入，其社会效应正逐步显现。

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。

木本恒信教授同样指出，我国在SiC晶圆的规格、品质以及费用控制等各个方面，均取得世界顶尖水平。我国直到2010年代才着手SiC技术的研发，因而成为全球的追赶者，这或许得益于其进行了大量的仿真和测试。日本、美国、德国这些国家从20世纪80年代起就开始研究，但目前已经被我国超越了。木本恒信教授指出，中国并未研发出一种独创的技术，实际差别仅在于投入的资本有差异。

中国于元件研制领域进步显著，不过日本在尖端元件研制上持续保持领先，并未被超越。日本的技术水准比中国高出一至两代水平。然而，日本生产的SiC晶片质量，是中国无法企及的。

日本具备完备的功率器件产业体系，覆盖了从晶圆生产者到器件生产者等各个环节。在晶圆制造方面，信越化学和SUMCO等企业，以及在器件制造方面，东芝、三菱电机、罗姆和瑞萨电子等企业，都具备丰富的硅片制作经验。功率器件大多以模块或者系统而非单一芯片的形态进行销售，这使得日本在配置这些解决方案方面的人才和技术上具备明显优势。

木本恒信教授认为，国内本土公司还缺少足够多的实践经验。眼下，一些曾在美国企业负责功率器件研究的工程师已经归国从事相关研发工作，两者之间的距离正逐步减小，不过木本恒信教授对于我国在模块和系统整合方面的能力掌握程度并不明确。

木本恒信教授主张，只有把握良机实施巨额投入的企业才能成为成功者。这是一个十分不易的选择，日本公司必须开展足以超越国际对手的大规模投资，既要防止错失良机，又不能心猿意马地行动，否则将难以跟上全球的进步步伐。

成本控制同样值得关注。现阶段，为确保产品合格，必须执行发货前的检测步骤，该环节会消耗较多资源。若想削减开支，比如省略此流程，技术层面仍有改进余地。木本恒信教授指出，日本在此领域具备独特优势，因为该国已系统掌握大量瑕疵分析经验。

部分企业正因电动汽车行业当前阶段发展减缓而面临挑战，这给了它们宝贵时间来优化制造流程和提升技术水平，以便在下次行业热潮到来之际迅速投入生产。

600V市场，竞争激烈

木本恒信教授表示，功率器件是当前最受青睐的应用领域，其市场体量已接近500亿人民币，硅材料的主导地位在此前从未遭遇如此规模性的挑战。

SiC JFET 的用途不止于汽车和数据中心，还涉及英飞凌等企业正在研制的直流断路器，这是一个从传统机械式保险丝与继电器向半导体技术转型的关键性转变，其潜在功能在于通过调控电网，尽可能缩小可能对社会产生严重后果的停电区域。另外，SiC 并非用作电力控制元件，不过高校们还是在钻研借助 SiC 的瑕疵来制造感应装置的相关课题。

它们也许会在电压层面同氮化镓 (GaN) 展开较量。氮化镓 (GaN) 在 100V 或 300V 等较低电压下表现突出。木本恒信教授预测，随着氮化镓 (GaN) 在小型电机和家用电器等用途中逐步替代硅，其市场有望持续扩大。再者，伴随垂直氮化镓 (GaN) 功率器件走向实用化，它们或许能在高电流和高电压领域同 SiC 进行竞争。这个现象颇为引人关注，因为碳化硅和氮化镓的优越性能几乎别无二致，当这两者的技术不断进步时，最终的较量将聚焦于价格与稳定性的比拼。

600V电压领域颇具看点，硅材料具备经济实惠且稳定的特点，碳化硅材料拥有优异的大电流性能，氮化镓材料则表现出卓越的快速转换性能，由此看来极有可能演变成为一场竞争白热化的领域。

目前面临的挑战

SiC 材料面临一个长期困扰的技术难题，那就是 SiC MOSFET 内部 SiC 与氧化膜（SiO2）交界面存在许多微小的瑕疵。全球科研人员一直在探索这个难题，不过，过去二十年间是否获得了突破性的成果还很难说。由于 SiC 材料内部缺陷的数量比 Si 材料高出百倍以上，这严重限制了 SiC 材料性能的充分发挥。SiC 的电阻比理想值高出两到三倍。

SiC 的特性比 Si 更好，所以它的用途正在持续增加。假如能把 SiC 的电阻降低一半，那么芯片的尺寸也能缩小一半。这样做还能提升合格率，让价格降低超过一半，几乎和 Si 一样。一旦成功，SiC 将迎来迅猛发展，节能成效也会大幅增强。

要达成这个目的，必须要有突破性进展，而学术界在这方面发挥着关键作用。基础层面的研究将日益受到重视。近些年，像第一性原理计算这样的学术分支已经兴起，这类方法能够精确预知不同缺陷的结构特征，所以，在应用这些方法时，进行深入探究显得尤为必要。

此外，当前SiC功率器件应用越来越广泛，其稳定性问题逐渐受到关注。稳定性是此类器件的关键指标，不仅关乎常规使用状态，也涉及异常情况下的表现。SiC材料导通电阻较硅更低，导致短路状态下电流会急剧增大，可能造成晶体管损毁，为此需要配置防护措施。这种稳定性在未来或许会构成严峻挑战。

即便过去了二十年，至今也没人能彻底处理氧化膜结合界面的瑕疵，因此我们渴望寻找新途径来取得进展。SiC虽然已在实际中使用，但它依然是一种引人注目的材质，其中包含许多我们尚未知晓的特质，木本恒信教授最终这样表示。