碳化硅，什么玩意？

碳化硅，聽起來很陌生，其實(shí)我們每個(gè)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(dāng)作飾品用的“假”鉆戒，也叫“莫桑鉆”，其實(shí)就是碳化硅，是由一名叫莫桑的科學(xué)家在隕石中發(fā)現(xiàn)的，他還因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

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(dǎo)體材料”。

因?yàn)椤靶禄ā焙汀疤贾泻汀卑鎵K里全都要用到它，比如5G基站、光伏、風(fēng)電、新能源汽車等行業(yè)。其中，新能源汽車應(yīng)用市場(chǎng)占比最大。

2021年中國(guó)碳化硅功率器件應(yīng)用市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

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(chǎng)的爆發(fā)，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為碳化硅最大的下游應(yīng)用市場(chǎng)，行業(yè)普遍預(yù)估，2027年車用碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模能達(dá)到60億美元。

布局碳化硅“上車”的部分車企

來源：中關(guān)村智能網(wǎng)聯(lián)研究匯

碳化硅功率器件，也成為了新能源汽車的“競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)”。

碳化硅器件模塊正在達(dá)到與硅基電源解決方案價(jià)格相當(dāng)?shù)呐R界點(diǎn)，同時(shí)實(shí)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(qū)動(dòng)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(jì)，2022年國(guó)內(nèi)新立項(xiàng)、簽約的碳化硅項(xiàng)目投資額超過476億元。而2018年這個(gè)數(shù)字只有50億元。

碳化硅是一個(gè)未來發(fā)展勢(shì)頭迅猛的材料行業(yè)。

而且它很有可能是中國(guó)將來能取得國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，甚至可能先于“硅基半導(dǎo)體”，在成本和性能兩方面實(shí)現(xiàn)彎道超車。

在碳化硅這個(gè)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(guó)新能源汽車確實(shí)整車國(guó)產(chǎn)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(chǎng)份額。

他們供多少，你能用多少。想多要點(diǎn)？對(duì)不起，沒有。

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

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

其中，決定成敗、最為耗時(shí)的環(huán)節(jié)——“襯底制備”。

襯底就是由半導(dǎo)體單晶材料制成的晶圓片，這個(gè)東西的價(jià)值量高，占到整個(gè)碳化硅器件價(jià)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(gè)溫度很高（2800多℃）的爐子（碳化硅單晶生長(zhǎng)爐）里加熱。碳化硅粉末不會(huì)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(huì)直接凝華，再?gòu)臍怏w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(gè)過程有多慢？一周的時(shí)間悶在爐子里，只能長(zhǎng)出4厘米左右的厚度，一個(gè)矮粗的、巴掌大的圓柱。而且因?yàn)闋t壁上沒有開小窗，整個(gè)過程就像開盲盒，難以人工干預(yù)。

溫度、壓力控制稍有差錯(cuò)，就會(huì)導(dǎo)致碳化硅生產(chǎn)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(huì)被降級(jí)，定為莫桑鉆。

國(guó)內(nèi)碳化硅技術(shù)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(zhǎng)工藝是其中最為核心的技術(shù)。過去這項(xiàng)技術(shù)只掌握在美國(guó)人手中，而且長(zhǎng)期對(duì)中國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖，目前卓遠(yuǎn)半導(dǎo)體有望突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

到這里，只是長(zhǎng)（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(xì)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(huì)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(chǎn)中是非常低的一個(gè)水平。

碳化硅晶體，好不容易長(zhǎng)出了幾厘米高，結(jié)果可能只能切出個(gè)30~40片來——再經(jīng)過打磨等工序，就是襯底了。從生長(zhǎng)到切割、打磨，這一片襯底的生產(chǎn)過程需要一個(gè)月左右的時(shí)間。

一片6英寸的襯底，售價(jià)高達(dá)數(shù)千元人民幣，最后只能切割出500~600個(gè)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(huì)問，為什么在油車的時(shí)代，汽車行業(yè)幾乎不用碳化硅呢？

因?yàn)槿加蛙囯妷旱停灰獫M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(jí)。而新能源車用“三電”（電機(jī)、電控、電池）系統(tǒng)替代燃油動(dòng)力，車內(nèi)電壓升至百伏以上。

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

國(guó)內(nèi)企業(yè)也瞄準(zhǔn)了這個(gè)賽道的機(jī)會(huì)。在襯底這個(gè)環(huán)節(jié)，中國(guó)正在奮起直追，但目前國(guó)產(chǎn)比海外產(chǎn)品還存在一定差距。

以位錯(cuò)為例，位錯(cuò)是晶體中一種線性缺陷，我們應(yīng)該盡量減少它。國(guó)外產(chǎn)品的位錯(cuò)可以達(dá)到1000個(gè)/平方厘米，而2022年底，國(guó)內(nèi)是5000個(gè)/平方厘米。在襯底的產(chǎn)品水平上，中國(guó)離海外先進(jìn)企業(yè)還存在數(shù)年的差距。

經(jīng)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(jīng)過切、磨、拋等等加工過程以后，在襯底上生長(zhǎng)出一層新的單晶的過程，這層新的物質(zhì)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(jīng)過器件設(shè)計(jì)、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(nèi)人士透露，日本可能要對(duì)中國(guó)禁售碳化硅等產(chǎn)業(yè)高精尖的設(shè)備，所以國(guó)產(chǎn)化設(shè)備、原料、輔料就成了中國(guó)必須要做的事情。

碳化硅未來的趨勢(shì)一定是“舊時(shí)王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出，我國(guó)將加速推動(dòng)以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，催生一批高速成長(zhǎng)的新材料企業(yè)。

光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、氫能、新能源汽車……它們?cè)谠O(shè)備和原料端共享了很多資源，一個(gè)領(lǐng)域的繁榮會(huì)助推另一個(gè)領(lǐng)域加速成長(zhǎng)，而共生共榮的產(chǎn)業(yè)根系最終會(huì)讓中國(guó)在整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)版圖上成為全球領(lǐng)軍的國(guó)家。

編輯：黃飛

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