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(dǎo)體材料。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等，因?yàn)榻麕挾却笥?.2eV統(tǒng)稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，在國內(nèi)也稱為第三代半導(dǎo)體材料。

在半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)從材料端分為：第一代元素半導(dǎo)體材料，如硅（Si）和鍺(Ge)；第二代化合物半導(dǎo)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(yè)前景最明朗的半導(dǎo)體材料，堪稱半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)新一代“黃金賽道”。

歷史上人類第一次發(fā)現(xiàn)碳化硅是在1891年，美國人艾奇遜在電溶金剛石的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一種碳的化合物，這就是碳化硅首次合成和發(fā)現(xiàn)。在經(jīng)歷了百年的探索之后，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后，人類終于理清了碳化硅的優(yōu)點(diǎn)和特性，并利用碳化硅特性，做出各種新器件，碳化硅行業(yè)得到較快發(fā)展。

相比傳統(tǒng)的硅材料，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導(dǎo)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(jié)構(gòu)形態(tài)，分立方密排的閃鋅礦α晶型結(jié)構(gòu)（2H、4H、6H、15R）和六角密排的纖鋅礦β晶型結(jié)構(gòu)（3C-SiC）等。

 

其中β晶型結(jié)構(gòu)（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(wěn)定，可以用來制作光電器件。

 

 

碳化硅未來是否會(huì)替代硅？

第三代半導(dǎo)體材料和傳統(tǒng)硅材料，應(yīng)用領(lǐng)域是完全不同的，硅更多的是用來制作存儲(chǔ)器、處理器、數(shù)字電路和模擬電路等傳統(tǒng)的集成電路芯片。而碳化硅因?yàn)槟艹惺艽箅妷汉痛箅娏?，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(dǎo)體領(lǐng)域未來碳化硅成本降低后，會(huì)對硅基的MOSFET IGBT 等進(jìn)行一定的替代。但是碳化硅不會(huì)用來做數(shù)字芯片，兩者是互補(bǔ)關(guān)系，部分功率器件領(lǐng)域，未來碳化硅芯片將占據(jù)優(yōu)勢。

 

新一代黃金賽道，得碳化硅者得天下

從應(yīng)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(zhì)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(zhì)襯底？氮化鎵外延片為什么不用氮化鎵單晶襯底呢？其實(shí)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(shí)在太難了做，反應(yīng)過程中有上百種副產(chǎn)物很難控制，同時(shí)長晶效率奇低，且面積較小、價(jià)格昂貴，不具備任何經(jīng)濟(jì)性。而碳化硅和氮化鎵有著超過95%的晶格適配度，性能指標(biāo)遠(yuǎn)超其他襯底材料，如藍(lán)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(dāng)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(yōu)勢？

如果只算碳化硅芯片，在功率半導(dǎo)體方面碳化硅的對比傳統(tǒng)硅基功率芯片，有著無可比擬的優(yōu)勢：碳化硅能承受更大的電流和電壓、更高的開關(guān)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(yīng)的減少了電容、電感、線圈、散熱組件的部件，使得整個(gè)功率器件模組更加輕巧、節(jié)能、輸出功率更強(qiáng)，同時(shí)還增強(qiáng)了可靠性，優(yōu)點(diǎn)十分明顯。

從終端應(yīng)用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網(wǎng)、光伏逆變、工業(yè)機(jī)電、數(shù)據(jù)中心、白色家電、消費(fèi)電子、5G通信、次世代顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(tǒng)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(dòng)車10%以上的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益十分明顯。

此外知名電動(dòng)車廠商特斯拉的Model 3也宣布采用了意法半導(dǎo)體的全碳化硅模組。行業(yè)內(nèi)外均已經(jīng)看到碳化硅未來的巨大應(yīng)用潛力，紛紛布局，因此“黃金賽道”名副其實(shí)。

 

想說愛你不容易

所有優(yōu)質(zhì)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(yè)前景，但是所有投身這個(gè)行業(yè)的就會(huì)遇到第一條最現(xiàn)實(shí)的問題，材料怎么辦？

目前傳統(tǒng)硅基產(chǎn)業(yè)極其成熟的商業(yè)環(huán)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(shù)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(chǎn)業(yè)規(guī)模才可能做大！

目前用直拉法，72小時(shí)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(shí)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(shí)也僅有7.2mm~14.4mm厚度的晶體。

所以大家可以想象，生產(chǎn)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(jià)在4000-5000元左右，6英寸更是達(dá)到8000-10000元的水平，外延片至少再X2的價(jià)格以上，而且還有價(jià)無貨。

就這么薄薄的一片，買一只華為最新的5G手機(jī)，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(yè)，美國科銳（Cree）幾乎壟斷了70%以上的產(chǎn)能，因此國內(nèi)外下游廠家，紛紛和科銳簽訂長期合約鎖定產(chǎn)能。

 

當(dāng)前碳化硅片短缺且昂貴，是行業(yè)最大痛點(diǎn)，只要掌握了碳化硅原材料等于控制了行業(yè)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(nèi)公司如能解決痛點(diǎn)，將有極大的發(fā)展機(jī)會(huì)！無論華為未來是真的有心來做碳化硅，還是有其他戰(zhàn)略目標(biāo)，此番華為投資入股國內(nèi)龍頭，合情合理。

我們已經(jīng)在傳統(tǒng)的硅器件上落后過，真心不希望在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域再發(fā)生一次，因此無論從國家層面的政策支持，還是社會(huì)資本的投入，都踴躍支持中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，“黃金賽道”名副其實(shí)！

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(jié)果必然是成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可以自然開采的材料。

碳化硅升華熔點(diǎn)約2700度，且沒有液態(tài)，只有固態(tài)和氣態(tài)，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(dǎo)體級的高純度碳化硅單晶，主要為Lely 改良法，有三種技術(shù)路線，物理氣相運(yùn)輸法（PVT）、溶液轉(zhuǎn)移法（LPE）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）。

 

 

 

 

其中LPE法僅用于實(shí)驗(yàn)室。商業(yè)路線上，PVT法和HT-CVD法較多，由于PVT爐價(jià)格低于HT-CVD設(shè)備，且工藝過程更簡單些，因此業(yè)內(nèi)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(shí)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(shí)很簡單，類似鍋蓋上的水蒸氣凝結(jié)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(jié)生長晶體。優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，設(shè)備較為便宜；缺點(diǎn)是目前速度較慢，且對碳化硅粉體質(zhì)量要求極高，粉體的質(zhì)量極大影響了晶體的缺陷，位錯(cuò)密度等一系列指標(biāo)。

目前國內(nèi)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(yè)級碳化硅粉的方法來做半導(dǎo)體級的碳化硅粉，聲稱能做出5N以上的高純碳化硅粉體，個(gè)人表示深刻懷疑。

個(gè)人判斷未來PVT技術(shù)發(fā)展的方向，應(yīng)該是爐體和粉體，以及工藝同步發(fā)展，共同突破，才能使得碳化硅晶體生長技術(shù)的不斷前進(jìn)。

“目前很多人都在研究關(guān)注爐體和長晶體技術(shù)，其實(shí)粉體技術(shù)也非常關(guān)鍵?！迸_(tái)州一能科技的總經(jīng)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(shù)對于PVT法晶體生長極為關(guān)鍵。

“我們有自己的粉體技術(shù)，我們的粉體純度高、比表面積大，而且均為3C晶態(tài)。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(nèi)碳化硅氣體濃度遠(yuǎn)超普通粉體加熱后濃度。高濃度環(huán)境下，極大的加快了晶體的結(jié)晶速度，目前特制粉體的實(shí)驗(yàn)速度可以達(dá)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(zhì)極佳。”

目前臺(tái)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(jīng)在國內(nèi)外獲得了20余項(xiàng)專利。

延伸閱讀：盤點(diǎn)國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)公司

從產(chǎn)業(yè)鏈圖上可以看出，碳化硅分成單晶、外延、設(shè)計(jì)、制造、封裝及模塊制造最終到終端應(yīng)用。

在單晶制備領(lǐng)域，除了本次華為投資入股的山東公司外，還有天科和達(dá)、河北同光、世紀(jì)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(huán)節(jié)有大基金入股的瀚天天成、東莞天域、北電新材、世紀(jì)金光、中電13所、55所等。

在生產(chǎn)環(huán)節(jié)國內(nèi)龍頭是泰科天潤，其他還有世紀(jì)金光、深圳基本半導(dǎo)體、芯光潤澤等公司，以及相當(dāng)一部分原本做傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體，現(xiàn)在開始布局到碳化硅賽道的大廠，如中車時(shí)代、國揚(yáng)電子、士蘭微、揚(yáng)杰科技、嘉興斯達(dá)、甚至車企比亞迪也有布局，國內(nèi)功率老大華潤微電子也在招股說明書中披露準(zhǔn)備投入數(shù)億元要大力發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)，此外還有一大群正在來中國路上的海外創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，其中設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也有。

不過個(gè)人判斷不管是SiC SBD、還是SiC MOSFET、其實(shí)設(shè)計(jì)并不是最核心的，碳化硅制造環(huán)節(jié)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(dāng)然IDM也有缺點(diǎn)，投資金額較大，建設(shè)周期長，回本慢，但是未來的模式一定是IDM占據(jù)主導(dǎo)。

目前碳化硅6英寸線一年1萬片的產(chǎn)能，本人估計(jì)5億足夠，而且回本期還挺快的。

目前中國碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在不斷擴(kuò)大，5年前開會(huì)僅僅只有數(shù)十人人，但是近年來開會(huì)已經(jīng)有超過200人規(guī)模，這標(biāo)志著中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正在生機(jī)勃勃的發(fā)展，前景無限，而華為的出手也預(yù)示著中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將要崛起！

最后做大膽猜測：任正非曾經(jīng)說過，華為是不做財(cái)務(wù)投資的，如果投資一定是戰(zhàn)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(yè)是沒有任何意義的。所以個(gè)人判斷華為是想自己干了，所以先走一步棋，把國內(nèi)做原材料的龍頭公司投了再說，為以后建廠打下基礎(chǔ)。

如果從需求端考慮， 做碳化硅有兩個(gè)用處，第一，灑家估摸著5G基站是個(gè)吃電大戶，用部分碳化硅功率器件替代傳統(tǒng)硅器件，省電節(jié)能，提高安全性經(jīng)濟(jì)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(diǎn)考慮，我是任正非，我肯定上了，這步棋是必然要走的。