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現的，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。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

數據來源：MIR 睿工業根據公開資料整理

它為什么如此火爆呢？

隨著新能源汽車市場的爆發，電動汽車已經成為碳化硅最大的下游應用市場，行業普遍預估，2027年車用碳化硅功率器件市場規模能達到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的臨界點，同時實現更高效、更緊湊的系統。數據顯示，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、冷卻系統節省的成本在525 ～ 850 美元，系統性成本顯著下降，相同里程條件下，采用SiC 逆變器單車可節省至少200 美元。

根據不完全統計，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年這個數字只有50億元。

碳化硅是一個未來發展勢頭迅猛的材料行業。

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

在碳化硅這個行業，由于資金投入大，很少有一家企業把上下游全包圓。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。

為什么會出現這種情況呢？這我們就得說到碳化硅的產業鏈了。

一般來說，人們說的“碳化硅”產業主要聚焦“襯底”和“外延片”和“器件”這三個環節。

其中，決定成敗、最為耗時的環節——“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一系列參數缺陷。如果出現碎的、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奏。

國內企業也瞄準了這個賽道的機會。在襯底這個環節，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還存在數年的差距。

經過襯底環節以后，接下來的是外延環節。

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、器件制造等環節，碳化硅就可以正式上車了。

據業內人士透露，日本可能要對中國禁售碳化硅等產業高精尖的設備，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化進程，催生一批高速成長的新材料企業。

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，而共生共榮的產業根系最終會讓中國在整個新能源產業版圖上成為全球領軍的國家。

編輯：黃飛

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