碳化硅是何方神圣？

碳化硅是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導體材料。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等，因為禁帶寬度大于2.2eV統稱為寬禁帶半導體材料，在國內也稱為第三代半導體材料。

在半導體業內從材料端分為：第一代元素半導體材料，如硅（Si）和鍺(Ge)；第二代化合物半導體材料：如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等；第三代寬禁帶材料，如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

其中碳化硅和氮化鎵是目前商業前景最明朗的半導體材料，堪稱半導體產業內新一代“黃金賽道”。

歷史上人類第一次發現碳化硅是在1891年，美國人艾奇遜在電溶金剛石的時候發現一種碳的化合物，這就是碳化硅首次合成和發現。在經歷了百年的探索之后，特別是進入21世紀以后，人類終于理清了碳化硅的優點和特性，并利用碳化硅特性，做出各種新器件，碳化硅行業得到較快發展。

相比傳統的硅材料，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8倍；電子飽和漂移速率為硅的2倍。

種種特性意味著碳化硅特別適于制造耐高溫、耐高壓，耐大電流的高頻大功率的器件。

目前已知的碳化硅有約200種晶體結構形態，分立方密排的閃鋅礦α晶型結構（2H、4H、6H、15R）和六角密排的纖鋅礦β晶型結構（3C-SiC）等。

 

其中β晶型結構（3C-SiC）可以用來制造高頻器件以及其他薄膜材料的襯底，例如用來生長氮化鎵外延層、制造碳化硅基氮化鎵微波射頻器件等。α晶型4H可以用來制造大功率器件；6H最穩定，可以用來制作光電器件。

 

 

碳化硅未來是否會替代硅？

第三代半導體材料和傳統硅材料，應用領域是完全不同的，硅更多的是用來制作存儲器、處理器、數字電路和模擬電路等傳統的集成電路芯片。而碳化硅因為能承受大電壓和大電流，特別適合用來制造大功率器件、微波射頻器件以及光電器件等。特別是在功率半導體領域未來碳化硅成本降低后，會對硅基的MOSFET IGBT 等進行一定的替代。但是碳化硅不會用來做數字芯片，兩者是互補關系，部分功率器件領域，未來碳化硅芯片將占據優勢。

 

新一代黃金賽道，得碳化硅者得天下

從應用端講，碳化硅被稱為“黃金賽道”絲毫不過分。

目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。即碳化硅上長碳化硅外延層，用于制造功率器件；碳化硅上長氮化鎵外延層，可以用來制造中低壓高頻功率器件（小于650V）、大功率微波射頻器件以及光電器件。

有人不禁要問，碳化硅上長同質外延可以理解，但是為什么可以成為氮化鎵外延片的最佳異質襯底？氮化鎵外延片為什么不用氮化鎵單晶襯底呢？其實從來理論上來講，氮化鎵外延片最好就是用本身氮化鎵的單晶襯底，但是氮化鎵單晶襯底實在太難了做，反應過程中有上百種副產物很難控制，同時長晶效率奇低，且面積較小、價格昂貴，不具備任何經濟性。而碳化硅和氮化鎵有著超過95%的晶格適配度，性能指標遠超其他襯底材料，如藍寶石、硅、砷化鎵等。因此碳化硅基氮化鎵外延片成為最佳選擇。

所以碳化硅襯底材料可以滿足兩種當下最具潛力材料的對襯底材料的需求，“一材兩用”，因此這便是“得碳化硅者得天下”的說法來源。

碳化硅有啥優勢？

如果只算碳化硅芯片，在功率半導體方面碳化硅的對比傳統硅基功率芯片，有著無可比擬的優勢：碳化硅能承受更大的電流和電壓、更高的開關速度、更小的能量損失、更耐高溫。因此用碳化硅的做成的功率模組可以相應的減少了電容、電感、線圈、散熱組件的部件，使得整個功率器件模組更加輕巧、節能、輸出功率更強，同時還增強了可靠性，優點十分明顯。

從終端應用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網、光伏逆變、工業機電、數據中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領域有著廣泛的應用，市場潛力巨大。

2015年，汽車巨頭豐田便展示了全碳化硅模組的PCU。相比之下，碳化硅PCU僅為傳統硅PCU的體積的1/5，重量減輕35%，電力損耗從20%降低到5%，提升混動車10%以上的經濟性，經濟社會效益十分明顯。

此外知名電動車廠商特斯拉的Model 3也宣布采用了意法半導體的全碳化硅模組。行業內外均已經看到碳化硅未來的巨大應用潛力，紛紛布局，因此“黃金賽道”名副其實。

 

想說愛你不容易

所有優質妹子都不易得手，所有好的材料制造都難于上青天。

所有人都知道碳化硅未來巨大的商業前景，但是所有投身這個行業的就會遇到第一條最現實的問題，材料怎么辦？

目前傳統硅基產業極其成熟的商業環境，至少有一大半原因是硅材料較為容易得到。硅材料成熟且高效的制備技術使得硅材料目前十分低廉，目前6英寸硅拋光片僅150元，8英寸300元，12英寸850元左右。

只有原材料足夠便宜，產業規模才可能做大！

目前用直拉法，72小時能生長出2-3米左右的硅單晶棒，一根單晶棒一次能切下上千片硅片。

你知道72小時能長多少厚碳化硅單晶體嗎？只有幾厘米都不到?。?！

目前最快的碳化硅單晶生長的方法，生長速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右，因此72小時也僅有7.2mm~14.4mm厚度的晶體。

所以大家可以想象，生產出來的碳化硅單晶片能貴成啥樣了。目前4英寸碳化硅售價在4000-5000元左右，6英寸更是達到8000-10000元的水平，外延片至少再X2的價格以上，而且還有價無貨。

就這么薄薄的一片，買一只華為最新的5G手機，還有的找！但是你想買還買不到！

作為全世界碳化硅龍頭企業，美國科銳（Cree）幾乎壟斷了70%以上的產能，因此國內外下游廠家，紛紛和科銳簽訂長期合約鎖定產能。

 

當前碳化硅片短缺且昂貴，是行業最大痛點，只要掌握了碳化硅原材料等于控制了行業的核心，其他事都相對容易解決，目前最難解決的就是原材料問題。國內公司如能解決痛點，將有極大的發展機會！無論華為未來是真的有心來做碳化硅，還是有其他戰略目標，此番華為投資入股國內龍頭，合情合理。

我們已經在傳統的硅器件上落后過，真心不希望在第三代半導體領域再發生一次，因此無論從國家層面的政策支持，還是社會資本的投入，都踴躍支持中國第三代半導體產業的發展，“黃金賽道”名副其實！

延伸閱讀：為什么碳化硅這么難做？

碳化硅這種材料，在自然界是沒有的，必須人工合成，結果必然是成本遠遠高于可以自然開采的材料。

碳化硅升華熔點約2700度，且沒有液態，只有固態和氣態，因此注定不能用類似拉單晶的切克勞斯基法（CZ法）制備。

目前制備半導體級的高純度碳化硅單晶，主要為Lely 改良法，有三種技術路線，物理氣相運輸法（PVT）、溶液轉移法（LPE）、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）。

 

 

 

 

其中LPE法僅用于實驗室。商業路線上，PVT法和HT-CVD法較多，由于PVT爐價格低于HT-CVD設備，且工藝過程更簡單些，因此業內普遍更看好PVT法。

不管是HT-CVD還是PVT，效率都極其緩慢，最快也僅每小時0.1-0.2mm的生長速度，因此長幾天幾夜也就幾厘米。

PVT方法其實很簡單，類似鍋蓋上的水蒸氣凝結過程。就是加熱碳化硅粉體，然后利用溫度梯度差，在頂部凝結生長晶體。優點是方法簡單，設備較為便宜；缺點是目前速度較慢，且對碳化硅粉體質量要求極高，粉體的質量極大影響了晶體的缺陷，位錯密度等一系列指標。

目前國內用焦炭+石英粉直接混合加熱，再碾碎成碳化硅粉，用酸洗凈。這種用工業級碳化硅粉的方法來做半導體級的碳化硅粉，聲稱能做出5N以上的高純碳化硅粉體，個人表示深刻懷疑。

個人判斷未來PVT技術發展的方向，應該是爐體和粉體，以及工藝同步發展，共同突破，才能使得碳化硅晶體生長技術的不斷前進。

“目前很多人都在研究關注爐體和長晶體技術，其實粉體技術也非常關鍵?！迸_州一能科技的總經理張樂年表示，“我們把更多的精力放在了原材料高純碳化硅粉體的研究上。”

張總表示，碳化硅粉體的純度，晶形以及以及比表面積等性能參數對于PVT法晶體生長極為關鍵。

“我們有自己的粉體技術，我們的粉體純度高、比表面積大，而且均為3C晶態。這種高比表面積的粉體在加熱過程中，吸熱極快，使得PVT爐內碳化硅氣體濃度遠超普通粉體加熱后濃度。高濃度環境下，極大的加快了晶體的結晶速度，目前特制粉體的實驗速度可以達到普通粉體長晶速度的5倍，而且由于粉體純度高，因此晶體品質極佳?！?/span>

目前臺州一能科技另辟蹊徑研制出的新式碳化硅粉體合成方法——“局部超高溫碳化硅粉合成法”，已經在國內外獲得了20余項專利。

延伸閱讀：盤點國內第三代半導體產業公司

從產業鏈圖上可以看出，碳化硅分成單晶、外延、設計、制造、封裝及模塊制造最終到終端應用。

在單晶制備領域，除了本次華為投資入股的山東公司外，還有天科和達、河北同光、世紀金光、神州科技以及中科剛研，還有中電2所、13所、46所、55所。此外還有一家由三安光電控股的北電新材。

在外延環節有大基金入股的瀚天天成、東莞天域、北電新材、世紀金光、中電13所、55所等。

在生產環節國內龍頭是泰科天潤，其他還有世紀金光、深圳基本半導體、芯光潤澤等公司，以及相當一部分原本做傳統硅基功率半導體，現在開始布局到碳化硅賽道的大廠，如中車時代、國揚電子、士蘭微、揚杰科技、嘉興斯達、甚至車企比亞迪也有布局，國內功率老大華潤微電子也在招股說明書中披露準備投入數億元要大力發展碳化硅產業，此外還有一大群正在來中國路上的海外創業團隊，其中設計團隊也有。

不過個人判斷不管是SiC SBD、還是SiC MOSFET、其實設計并不是最核心的，碳化硅制造環節才是核心，因此碳化硅“Fabless+Foundry”的代工模式競爭力不如IDM模式，當然IDM也有缺點，投資金額較大，建設周期長，回本慢，但是未來的模式一定是IDM占據主導。

目前碳化硅6英寸線一年1萬片的產能，本人估計5億足夠，而且回本期還挺快的。

目前中國碳化硅產業聯盟在不斷擴大，5年前開會僅僅只有數十人人，但是近年來開會已經有超過200人規模，這標志著中國第三代半導體產業聯盟正在生機勃勃的發展，前景無限，而華為的出手也預示著中國第三代半導體產業將要崛起！

最后做大膽猜測：任正非曾經說過，華為是不做財務投資的，如果投資一定是戰略投資。因此華為如果不是為了自己建廠，而去投一家碳化硅單晶制造企業是沒有任何意義的。所以個人判斷華為是想自己干了，所以先走一步棋，把國內做原材料的龍頭公司投了再說，為以后建廠打下基礎。

如果從需求端考慮， 做碳化硅有兩個用處，第一，灑家估摸著5G基站是個吃電大戶，用部分碳化硅功率器件替代傳統硅器件，省電節能，提高安全性經濟性，效果還是很明顯的；第二、碳化硅可以長氮化鎵外延做大功率微波射頻芯片，GaN HEMT 的PA 可是5G剛需啊?。?！出于這兩點考慮，我是任正非，我肯定上了，這步棋是必然要走的。