碳化硅，什么玩意？

碳化硅，聽起來很陌生，其實我們每個人都用過。

比如打磨用的砂紙，上面粗糙的磨料一般是兩種成分——碳化硅和剛玉（三氧化二鋁）。

還有很多女生當作飾品用的“假”鉆戒，也叫“莫桑鉆”，其實就是碳化硅，是由一名叫莫桑的科學家在隕石中發(fā)現(xiàn)的，他還因此獲得了諾貝爾化學獎。

說到近幾年，碳化硅就更火了，有人說這是一種“正在離地起飛的半導體材料”。

因為“新基建”和“碳中和”版塊里全都要用到它，比如5G基站、光伏、風電、新能源汽車等行業(yè)。其中，新能源汽車應用市場占比最大。

2021年中國碳化硅功率器件應用市場結構

數(shù)據(jù)來源：MIR 睿工業(yè)根據(jù)公開資料整理

它為什么如此火爆呢？

隨著新能源汽車市場的爆發(fā)，電動汽車已經成為碳化硅最大的下游應用市場，行業(yè)普遍預估，2027年車用碳化硅功率器件市場規(guī)模能達到60億美元。

布局碳化硅“上車”的部分車企

來源：中關村智能網聯(lián)研究匯

碳化硅功率器件，也成為了新能源汽車的“競爭性技術”。

碳化硅器件模塊正在達到與硅基電源解決方案價格相當?shù)呐R界點，同時實現(xiàn)更高效、更緊湊的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)顯示，在新能源汽車使用SiC MOSFET 的（90 ～ 350）kW 驅動逆變器，使用SiC 器件增加的成本為75 ～ 200 美元（1 美元約為人民幣6.5 元），然而從電池、無源元器件、冷卻系統(tǒng)節(jié)省的成本在525 ～ 850 美元，系統(tǒng)性成本顯著下降，相同里程條件下，采用SiC 逆變器單車可節(jié)省至少200 美元。

根據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年國內新立項、簽約的碳化硅項目投資額超過476億元。而2018年這個數(shù)字只有50億元。

碳化硅是一個未來發(fā)展勢頭迅猛的材料行業(yè)。

而且它很有可能是中國將來能取得國際領先優(yōu)勢的半導體產業(yè)，甚至可能先于“硅基半導體”，在成本和性能兩方面實現(xiàn)彎道超車。

在碳化硅這個行業(yè)，由于資金投入大，很少有一家企業(yè)把上下游全包圓。中國新能源汽車確實整車國產化做得挺好，但是幾乎繞不過碳化硅功率器件六巨頭，包括英飛凌、意法、安森美、羅姆、狼速、三菱，六家外企占了全球99%的市場份額。

他們供多少，你能用多少。想多要點？對不起，沒有。

為什么會出現(xiàn)這種情況呢？這我們就得說到碳化硅的產業(yè)鏈了。

一般來說，人們說的“碳化硅”產業(yè)主要聚焦“襯底”和“外延片”和“器件”這三個環(huán)節(jié)。

其中，決定成敗、最為耗時的環(huán)節(jié)——“襯底制備”。

襯底就是由半導體單晶材料制成的晶圓片，這個東西的價值量高，占到整個碳化硅器件價值的50%以上。

至于如何制作襯底？首先要有碳粉和硅粉，放在一個溫度很高（2800多℃）的爐子（碳化硅單晶生長爐）里加熱。碳化硅粉末不會融化成液體，而是直接升華成氣體，飄到爐子的上方，溫度下降，會直接凝華，再從氣體變成固體落下來，這樣就生成碳化硅晶體。

PVT法碳化硅單晶制備工藝

這個過程有多慢？一周的時間悶在爐子里，只能長出4厘米左右的厚度，一個矮粗的、巴掌大的圓柱。而且因為爐壁上沒有開小窗，整個過程就像開盲盒，難以人工干預。

溫度、壓力控制稍有差錯，就會導致碳化硅生產出現(xiàn)一系列參數(shù)缺陷。如果出現(xiàn)碎的、畸形的碳化硅晶圓，那么它就會被降級，定為莫桑鉆。

國內碳化硅技術起步晚，碳化硅單晶制備一直是全球性難題，而高穩(wěn)定性的晶體生長工藝是其中最為核心的技術。過去這項技術只掌握在美國人手中，而且長期對中國實施技術封鎖，目前卓遠半導體有望突破關鍵技術，實現(xiàn)國產替代。

到這里，只是長（zhang）晶過程，還沒有形成襯底。襯底就像制作芯片的硅晶圓一樣，得是薄片。那就得切割圓柱，要用到硬度很高的細線。

如果你熟悉光伏的話，過去光伏行業(yè)用的就是類似的東西——砂漿線切割。

但是碳化硅又硬又脆，硬碰硬容易破碎，就不能著急，慢慢切。即便是這樣，過程中也會有“震蕩損耗”。

綜合下來，碳化硅襯底片工藝的良率只有50%左右，這在大工業(yè)生產中是非常低的一個水平。

碳化硅晶體，好不容易長出了幾厘米高，結果可能只能切出個30~40片來——再經過打磨等工序，就是襯底了。從生長到切割、打磨，這一片襯底的生產過程需要一個月左右的時間。

一片6英寸的襯底，售價高達數(shù)千元人民幣，最后只能切割出500~600個碳化硅組件。

聽起來不少，但1~2輛新能源汽車可能就要用掉這樣一整片碳化硅。

很多人會問，為什么在油車的時代，汽車行業(yè)幾乎不用碳化硅呢？

因為燃油車電壓低，只要滿足車載電器功率和排放法規(guī)即可，所以只完成了6V到12V再到48V的升級。而新能源車用“三電”（電機、電控、電池）系統(tǒng)替代燃油動力，車內電壓升至百伏以上。

碳化硅具有承載電壓等級高等優(yōu)異性能，所以新能源汽車對碳化硅的需求量很大，而供應又遲遲跟不上車企產能擴張的節(jié)奏。

國內企業(yè)也瞄準了這個賽道的機會。在襯底這個環(huán)節(jié)，中國正在奮起直追，但目前國產比海外產品還存在一定差距。

以位錯為例，位錯是晶體中一種線性缺陷，我們應該盡量減少它。國外產品的位錯可以達到1000個/平方厘米，而2022年底，國內是5000個/平方厘米。在襯底的產品水平上，中國離海外先進企業(yè)還存在數(shù)年的差距。

經過襯底環(huán)節(jié)以后，接下來的是外延環(huán)節(jié)。

所謂外延，就是在經過切、磨、拋等等加工過程以后，在襯底上生長出一層新的單晶的過程，這層新的物質可以和襯底是同一種材料，也可以是不同的材料，就像蛋糕坯子上面可以抹奶油，也可以繼續(xù)撒面包碎。

在做出外延片以后，還要經過器件設計、器件制造等環(huán)節(jié)，碳化硅就可以正式上車了。

據(jù)業(yè)內人士透露，日本可能要對中國禁售碳化硅等產業(yè)高精尖的設備，所以國產化設備、原料、輔料就成了中國必須要做的事情。

碳化硅未來的趨勢一定是“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中提出，我國將加速推動以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體新材料新技術產業(yè)化進程，催生一批高速成長的新材料企業(yè)。

光伏、風電、儲能、氫能、新能源汽車……它們在設備和原料端共享了很多資源，一個領域的繁榮會助推另一個領域加速成長，而共生共榮的產業(yè)根系最終會讓中國在整個新能源產業(yè)版圖上成為全球領軍的國家。

編輯：黃飛

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