近年来，国内外对碳化硅的关注度日益**，尤其是国外的领先厂商，他们在这个市场的步伐更是走得非常快。究竟这个产品有什么魔力？让我们来看一下。

碳化硅是何方神圣？

碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等，因为禁带宽度大于2.2eV统称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。

在半导体业内从材料端分为：第一代元素半导体材料，如硅（Si）和锗(Ge)；第二代化合物半导体材料：如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等；第三代宽禁带材料，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等。

其中碳化硅和氮化镓是目前商业前景最明朗的半导体材料，堪称半导体产业内新一代“黄金赛道”。

历史上人类第一次发现碳化硅是在1891年，美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物，这就是碳化硅首次合成和发现。在经历了百年的探索之后，特别是**21世纪以后，人类终于理清了碳化硅的优点和特性，并利用碳化硅特性，做出各种新器件，碳化硅行业**较快**。

相比**的硅材料，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8倍；电子饱和漂移速率为硅的2倍。

种种特性意味着碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压，耐大电流的高频大功率的器件。

目前已知的碳化硅有约200种晶体结构形态，分立方密排的闪锌矿α晶型结构（2H、4H、6H、15R）和六角密排的纤锌矿β晶型结构（3C-SiC）等。

其中β晶型结构（3C-SiC）可以用来制造高频器件以及其他薄膜材料的衬底，例如用来生长氮化镓外延层、制造碳化硅基氮化镓微波射频器件等。α晶型4H可以用来制造大功率器件；6H最稳定，可以用来制作光电器件。

3C-SiC 晶体结构

碳化硅未来是否会替代硅？

第三代半导体材料和**硅材料，应用领域是完全不同的，硅更多的是用来制作存储器、处理器、数字电路和模拟电路等**的集成电路芯片。而碳化硅因为能承受大电压和大电流，特别适合用来制造大功率器件、微波射频器件以及光电器件等。特别是在功率半导体领域未来碳化硅成本**后，会对硅基的MOSFET IGBT 等进行一定的替代。但是碳化硅不会用来做数字芯片，两者是互补关系，部分功率器件领域，未来碳化硅芯片将占据优势。

新一代黄金赛道，得碳化硅者得天下

从应用端讲，碳化硅被称为“黄金赛道”丝毫不过分。

目前碳化硅和氮化镓这两种芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，较为**的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。即碳化硅上长碳化硅外延层，用于制造功率器件；碳化硅上长氮化镓外延层，可以用来制造中低压高频功率器件（小于650V）、大功率微波射频器件以及光电器件。

有人不禁要问，碳化硅上长同质外延可以理解，但是为什么可以成为氮化镓外延片的**异质衬底？氮化镓外延片为什么不用氮化镓单晶衬底呢？其实从来理论上来讲，氮化镓外延片最好就是用本身氮化镓的单晶衬底，但是氮化镓单晶衬底实在太难了做，反应**中有上百种副产物很难控制，同时长晶效率奇低，且面积较小、价格昂贵，不具备任何经济性。而碳化硅和氮化镓有着超过95%的晶格适配度，性能指标远超其他衬底材料，如蓝宝石、硅、砷化镓等。因此碳化硅基氮化镓外延片成为**选择。

所以碳化硅衬底材料可以**两种当下最具潜力材料的对衬底材料的需求，“一材两用”，因此这便是“得碳化硅者得天下”的说法来源。

碳化硅有啥优势？

如果只算碳化硅芯片，在功率半导体方面碳化硅的对比**硅基功率芯片，有着无可比拟的优势：碳化硅能承受更大的电流和电压、更高的开关速度、更小的能量损失、更耐高温。因此用碳化硅的做成的功率模组可以相应的**了电容、电感、线圈、散热组件的部件，使得整个功率器件模组更加轻巧、节能、输出功率更强，同时还增强了可靠性，优点十分明显。

从终端应用层上来看在碳化硅材料在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、次世代显示等领域有着广泛的应用，市场潜力巨大。

2015年，汽车巨头丰田便展示了全碳化硅模组的PCU。相比之下，碳化硅PCU仅为**硅PCU的体积的1/5，重量减轻35%，电力损耗从20%**到5%，提升混动车10%以上的经济性，经济社会效益十分明显。

碳化硅 PCU 和硅 PCU的对比

此外知名电动车厂商特斯拉的Model 3也宣布采用了意法半导体的全碳化硅模组。行业内外均已经看到碳化硅未来的巨大应用潜力，纷纷布局，因此“黄金赛道”名副其实。

想说爱你不容易

所有优质妹子都不易得手，所有好的材料制造都难于上青天。

所有人都知道碳化硅未来巨大的商业前景，但是所有投身这个行业的就会遇到第一条最现实的问题，材料怎么办？

目前**硅基产业极其成熟的商业**，至少有一大半原因是硅材料较为容易**。硅材料成熟且高效的制备技术使得硅材料目前十分低廉，目前6英寸硅抛光片仅150元，8英寸300元，12英寸850元左右。

只有原材料足够便宜，产业规模才可能做大！

目前用直拉法，72小时能生长出2-3米左右的硅单晶棒，一根单晶棒一次能切下上千片硅片。

你知道72小时能长多少厚碳化硅单晶体吗？只有几厘米都不到！！！

目前最快的碳化硅单晶生长的**，生长速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右，因此72小时也仅有7.2mm~14.4mm厚度的晶体。

所以大家可以想象，生产出来的碳化硅单晶片能贵成啥样了。目前4英寸碳化硅售价在4000-5000元左右，6英寸更是达到8000-10000元的水平，而且还有价无货。

就这么薄薄的一片，买一只华为最新的5G手机，还有的找！但是你想买还买不到！

作为全世界碳化硅龙头企业，美国科锐（Cree）几乎垄断了70%以上的产能，因此国内外下游厂家，纷纷和科锐签订**合约锁定产能。

当前碳化硅片短缺且昂贵，是行业最大痛点，只要**了碳化硅原材料等于控制了行业的核心，其他事都相对容易解决，目前最难解决的就是原材料问题。国内**如能解决痛点，将有极大的**机会！无论华为未来是真的有心来做碳化硅，还是有其他战略目标，此番华为投资入股国内龙头，合情合理。

**原材料就制霸整个行业啊！

我们已经在**的硅器件上落后过，真心不希望在第三代半导体领域再发生一次，因此无论从国家层面的政策支持，还是社会资本的投入，都踊跃支持中国第三代半导体产业的**，“黄金赛道”名副其实！

延伸阅读：为什么碳化硅这么难做？

碳化硅这种材料，在自然界是没有的，必须人工合成，结果必然是成本远远高于可以自然开采的材料。

碳化硅升华熔点约2700度，且没有液态，只有固态和气态，因此注定不能用类似拉单晶的切克劳斯基法（CZ法）制备。

目前制备半导体级的高纯度碳化硅单晶，主要为Lely 改良法，有三种技术路线，物理气相运输法（PVT）、溶液转移法（LPE）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）。

PVT法

LPE法

HT-CVD法

三种**的原理及优劣势对比

其中LPE法仅用于实验室。商业路线上，PVT法和HT-CVD法较多，由于PVT炉价格低于HT-CVD设备，且工艺**更简单些，因此业内普遍更看好PVT法。

不管是HT-CVD还是PVT，效率都极其**，最快也仅每小时0.1-0.2mm的生长速度，因此长几天几夜也就几厘米。

PVT**其实很简单，类似锅盖上的水蒸气凝结**。就是加热碳化硅粉体，然后利用温度梯度差，在顶部凝结生长晶体。优点是**简单，设备较为便宜；缺点是目前速度较慢，且对碳化硅粉体**要求极高，粉体的**极大影响了晶体的缺陷，位错密度等一系列指标。

目前国内用焦炭+石英粉直接混合加热，再碾碎成碳化硅粉，用酸洗净。这种用工业级碳化硅粉的**来做半导体级的碳化硅粉，声称能做出5N以上的高纯碳化硅粉体，个人表示深刻怀疑。

个人判断未来PVT技术**的方向，应该是炉体和粉体，以及工艺同步**，共同突破，才能使得碳化硅晶体生长技术的不断前进。

“目前很多人都在研究关注炉体和长晶体技术，其实粉体技术也非常关键。”台州一能科技的总经理张乐年表示，“我们把更多的精力放在了原材料高纯碳化硅粉体的研究上。”

张总表示，碳化硅粉体的纯度，晶形以及以及比表面积等性能参数对于PVT法晶体生长极为关键。

“我们有自己的粉体技术，我们的粉体纯度高、比表面积大，而且均为3C晶态。这种高比表面积的粉体在加热**中，吸热极快，使得PVT炉内碳化硅气体浓度远超普通粉体加热后浓度。高浓度**下，极大的加快了晶体的结晶速度，目前特制粉体的实验速度可以达到普通粉体长晶速度的5倍，而且由于粉体纯度高，因此晶体品质极佳。”

目前台州一能科技另辟蹊径研制出的新式碳化硅粉体合成**——“局部超高温碳化硅粉合成法”，已经在国内外**了20余项专利。

延伸阅读：盘点国内第三代半导体产业**

从产业链图上可以看出，碳化硅分成单晶、外延、设计、制造、封装及模块制造最终到终端应用。

在单晶制备领域，除了本次华为投资入股的**外，还有天科和达、河北同光、世纪金光、神州科技以及中科刚研，还有中电2所、13所、46所、55所。此外还有一家由三安光电控股的北电新材。

在外延环节有大基金入股的瀚天天成、东莞天域、北电新材、世纪金光、中电13所、55所等。

在生产环节国内龙头是泰科天润，其他还有世纪金光、深圳基本半导体、芯光润泽等**，以及相当一部分原本做**硅基功率半导体，现在开始布局到碳化硅赛道的大厂，如中车时代、国扬电子、士兰微、扬杰科技、嘉兴斯达、甚至车企比亚迪也有布局，国内功率老大华润微电子也在招股说明书中披露**投入数亿元要大力**碳化硅产业，此外还有一大群正在来中国路上的海外创业团队。

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