碳化硅为什么如此火爆呢

碳化硅，什么玩意？

碳化硅，听起来很陌生，其实我们每个人都用过。

比如打磨用的砂纸，上面粗糙的磨料一般是两种成分——碳化硅和刚玉（三氧化二铝）。

还有很多女生当作饰品用的“假”钻戒，也叫“莫桑钻”，其实就是碳化硅，是由一名叫莫桑的科学家在陨石中发现的，他还因此获得了诺贝尔化学奖。

说到近几年，碳化硅就更火了，有人说这是一种“正在离地起飞的半导体材料”。

因为“新基建”和“碳中和”版块里全都要用到它，比如5G基站、光伏、风电、新能源汽车等行业。其中，新能源汽车应用市场占比最大。

2021年中国碳化硅功率器件应用市场结构

数据来源：MIR 睿工业根据公开资料整理

它为什么如此火爆呢？

随着新能源汽车市场的爆发，电动汽车已经成为碳化硅最大的下游应用市场，行业普遍预估，2027年车用碳化硅功率器件市场规模能达到60亿美元。

布局碳化硅“上车”的部分车企

来源：中关村智能网联研究汇

碳化硅功率器件，也成为了新能源汽车的“竞争性技术”。

碳化硅器件模块正在达到与硅基电源解决方案价格相当的临界点，同时实现更高效、更紧凑的系统。数据显示，在新能源汽车使用SiC MOSFET 的（90 ～ 350）kW 驱动逆变器，使用SiC 器件增加的成本为75 ～ 200 美元（1 美元约为人民币6.5 元），然而从电池、无源元器件、冷却系统节省的成本在525 ～ 850 美元，系统性成本显著下降，相同里程条件下，采用SiC 逆变器单车可节省至少200 美元。

根据不完全统计，2022年国内新立项、签约的碳化硅项目投资额超过476亿元。而2018年这个数字只有50亿元。

碳化硅是一个未来发展势头迅猛的材料行业。

而且它很有可能是中国将来能取得国际领先优势的半导体产业，甚至可能先于“硅基半导体”，在成本和性能两方面实现弯道超车。

在碳化硅这个行业，由于资金投入大，很少有一家企业把上下游全包圆。中国新能源汽车确实整车国产化做得挺好，但是几乎绕不过碳化硅功率器件六巨头，包括英飞凌、意法、安森美、罗姆、狼速、三菱，六家外企占了全球99%的市场份额。

他们供多少，你能用多少。想多要点？对不起，没有。

为什么会出现这种情况呢？这我们就得说到碳化硅的产业链了。

一般来说，人们说的“碳化硅”产业主要聚焦“衬底”和“外延片”和“器件”这三个环节。

其中，决定成败、最为耗时的环节——“衬底制备”。

衬底就是由半导体单晶材料制成的晶圆片，这个东西的价值量高，占到整个碳化硅器件价值的50%以上。

至于如何制作衬底？首先要有碳粉和硅粉，放在一个温度很高（2800多℃）的炉子（碳化硅单晶生长炉）里加热。碳化硅粉末不会融化成液体，而是直接升华成气体，飘到炉子的上方，温度下降，会直接凝华，再从气体变成固体落下来，这样就生成碳化硅晶体。

PVT法碳化硅单晶制备工艺

这个过程有多慢？一周的时间闷在炉子里，只能长出4厘米左右的厚度，一个矮粗的、巴掌大的圆柱。而且因为炉壁上没有开小窗，整个过程就像开盲盒，难以人工干预。

温度、压力控制稍有差错，就会导致碳化硅生产出现一系列参数缺陷。如果出现碎的、畸形的碳化硅晶圆，那么它就会被降级，定为莫桑钻。

国内碳化硅技术起步晚，碳化硅单晶制备一直是全球性难题，而高稳定性的晶体生长工艺是其中最为核心的技术。过去这项技术只掌握在美国人手中，而且长期对中国实施技术封锁，目前卓远半导体有望突破关键技术，实现国产替代。

到这里，只是长（zhang）晶过程，还没有形成衬底。衬底就像制作芯片的硅晶圆一样，得是薄片。那就得切割圆柱，要用到硬度很高的细线。

如果你熟悉光伏的话，过去光伏行业用的就是类似的东西——砂浆线切割。

但是碳化硅又硬又脆，硬碰硬容易破碎，就不能着急，慢慢切。即便是这样，过程中也会有“震荡损耗”。

综合下来，碳化硅衬底片工艺的良率只有50%左右，这在大工业生产中是非常低的一个水平。

碳化硅晶体，好不容易长出了几厘米高，结果可能只能切出个30~40片来——再经过打磨等工序，就是衬底了。从生长到切割、打磨，这一片衬底的生产过程需要一个月左右的时间。

一片6英寸的衬底，售价高达数千元人民币，最后只能切割出500~600个碳化硅组件。

听起来不少，但1~2辆新能源汽车可能就要用掉这样一整片碳化硅。

很多人会问，为什么在油车的时代，汽车行业几乎不用碳化硅呢？

因为燃油车电压低，只要满足车载电器功率和排放法规即可，所以只完成了6V到12V再到48V的升级。而新能源车用“三电”（电机、电控、电池）系统替代燃油动力，车内电压升至百伏以上。

碳化硅具有承载电压等级高等优异性能，所以新能源汽车对碳化硅的需求量很大，而供应又迟迟跟不上车企产能扩张的节奏。

国内企业也瞄准了这个赛道的机会。在衬底这个环节，中国正在奋起直追，但目前国产比海外产品还存在一定差距。

以位错为例，位错是晶体中一种线性缺陷，我们应该尽量减少它。国外产品的位错可以达到1000个/平方厘米，而2022年底，国内是5000个/平方厘米。在衬底的产品水平上，中国离海外先进企业还存在数年的差距。

经过衬底环节以后，接下来的是外延环节。

所谓外延，就是在经过切、磨、抛等等加工过程以后，在衬底上生长出一层新的单晶的过程，这层新的物质可以和衬底是同一种材料，也可以是不同的材料，就像蛋糕坯子上面可以抹奶油，也可以继续撒面包碎。

在做出外延片以后，还要经过器件设计、器件制造等环节，碳化硅就可以正式上车了。

据业内人士透露，日本可能要对中国禁售碳化硅等产业高精尖的设备，所以国产化设备、原料、辅料就成了中国必须要做的事情。

碳化硅未来的趋势一定是“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中提出，我国将加速推动以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程，催生一批高速成长的新材料企业。

光伏、风电、储能、氢能、新能源汽车……它们在设备和原料端共享了很多资源，一个领域的繁荣会助推另一个领域加速成长，而共生共荣的产业根系最终会让中国在整个新能源产业版图上成为全球领军的国家。

编辑：黄飞