又一国产芯已经逆袭！特斯拉带飞，国内的多位大佬大谈碳化硅

碳化硅，迎来了一个春天！

“双碳”政策为我国新能源转型带来了一个黄金时期，也为我国电力半导体的发展带来了一个新的黄金时期。在这种趋势下，具有优异性能的碳化硅，将会是目前最受欢迎的电源设备。

用碳化硅元件代替硅元件进行能量转换，可以大幅度提升能源的转换效率，将会减少75%左右的能源消耗。其经济效益是不容忽视的。


特斯拉在半导体领域的造诣，已经达到了一个新的高度。“十四五”、“十二五”规划和“十二五”规划都提出了“支持宽禁带的碳化硅、氮化镓等。”

新能源汽车，人工智能，光伏风能，大数据，5G通信等新的应用领域，使得第三代半导体以碳化硅为代表。


相比于硅、砷化镓等半导体，国内在碳化硅等三代半导体行业中，总体技术上的领先优势较少，有望在全球范围内实现逆势而上，减少全球供应链风险。但同时，我国碳化硅产业的发展仍然充满了挑战，还有很长的路要走。

目前国内单晶材料、基板、器件研发面临的主要难点是什么？下一步，还需要什么帮助？


山东大学晶体材料实验室主任、南砂晶片创始人、首席科学家徐现刚教授、广东芯粤能CTO相奇、中电化合物潘尧波、上海瞻芯电子CTO陈俭等6位知名学者、业界领军人物，在前段时间中国南沙国际IC工业论坛上，分别作了主旨发言，分享了行业前沿的观察与思考。


一、碳化硅高速发展，新能源车成为主要竞争对手

碳化硅的基板有两类，一种是半绝缘的，另一种是导电的。

半绝缘型产品广泛用于5G通信、国防军工、航天等行业；导电类型的产品，主要应用在电力电子行业，比如新能源汽车，比如“新基建”，都是碳化硅的主流。


特斯拉是第一个被马斯克收购的公司。特斯拉Model3是第一个采用碳化硅MOSFET的电源组件，它的主要功能是用于电机的主逆变器。

上海瞻芯公司的CTO陈俭把“特斯拉的Model3”与“2007年的iPhone4”相提并论。他说，2014-2015的碳化硅组件，据说功率提高了10%，体积缩小了57%，重量减少了40%。


▲瞻芯电子首席技术官陈俭，上海

随着新能源汽车的兴起，一股“上车潮”开始席卷全球。特斯拉，保时捷，比亚迪，现代，都在用碳化硅，碳化硅已经成为了高档轿车的标准；小鹏、蔚来、理想等国产汽车新势力纷纷发布或公布了碳化硅片；宇通客车，上汽和北汽都在准备这一领域，并且在商业汽车行业引入新技术也比较容易。


法国著名产业顾问公司Yole预计，到2022年，汽车用碳化硅设备将达到68.8%，到2025年，其市场规模将达到25.62亿美元，年均复合增长率为30%。

碳化硅是最好的电源元件，它的本质就是它的材质。它具有3倍于硅的带宽、3倍的热传导、2倍的电子饱和速度、8~10倍的临界击穿电场。


因此，SiC具有耐高温、低导通电阻、快速开关、耐高压等特性，使其体积小、重量轻、能效高、驱动力大。

广东芯粤能首席技术官相奇发布了一系列的预测，中国大陆到2030年的电力消费将达到10.5兆瓦，若全部用碳化硅设备来代替电能，一年可以节省几兆度的电能，这个数字，几乎是三峡水电站十座水电站的总发电量。

随着我国“双碳”战略的实施，我国碳化硅工业面临着一个难得的发展机会。到2030年，新能源汽车和太阳能电池的产能将会增加五倍。

再加上缺货的影响，现在的进口材料供不应求，如果国内的碳化硅供应商能跟上，那就是国产材料的突破。

▲中国大陆碳化硅行业的分布（方正）

二、8英寸的时代已经来临，但是要等到三四年后才能大规模生产

碳化硅的产业链涵盖了从最上游的碳化硅粉到晶锭、基板、外延、晶片、封装后的单根管子、组件、最终的应用。

瑞典的一位科学家，在1885年的时候，就已经研究出了一种叫做碳化硅的设备，它可以将砂石和木炭加热到大约1500摄氏度，然后在导电性的作用下，产生一种自扩散的碳化硅单晶。但是，由于受工艺、设备等因素的制约，长期以来一直未能得到广泛的应用。

山东大学晶体材料实验室主任、南砂晶片的创建者和首席科学家徐现刚表示，碳化硅单晶的研发可以分成三个时期：一是90年代，以碳化硅为基板，并在光电方面得到了成功的应用；第二个时期是微波电，国内的技术水平并不逊色于国外；第三个阶段是电力电子的应用，希望能与下游的企业携手并进，赶上国际市场。

经过近30年的研发，我国的碳化硅技术已经有了为器件的研发和生产所需的基板。

▲徐现刚教授，山东大学晶体材料实验室，南砂晶片的创建者和首席科学家

随着基板尺寸的增大，可以生产出更多的晶片，从而降低了每一块晶片的成本。目前业界的主流产品都是4寸和6寸，并逐步朝8寸发展。

“十三五”，8英寸基板是国外的技术突破。科锐集团在今年将8寸基板引入批量生产，目前世界上第一家8寸芯片厂已投产，即将建成第二家8寸硅片厂。

在工业化领域，我国的碳化硅公司已经实现了4~6英寸的技术改造。徐现刚教授说，我国现在已经有8寸的碳化硅，在2-3年的时间里，和世界的差距会逐渐缩小。

2010年，我国推出了4寸的碳化硅，并于2017年大规模推出4寸的导电基板，其间的间隔为7年；国产6寸的量产是在2019年，而从研发到现在，也用了三四年的时间。中电化合物的董事潘尧波认为，4寸的市场会逐渐萎缩，6寸是主流，8寸是主流，8寸是未来的发展方向，如果8寸的话，按照以前的发展，至少要等到2025年、2026年才能量产。

▲潘尧波，中电化学公司的董事

他认为，「8英寸」的来临，仍将面对许多挑战，如种子晶粒的扩径、晶体良率、晶体品质、8英寸基片加工、成本及生态环境等。

据他介绍，中国电子材料学会的数据显示，目前我国的碳化硅计划总投资300亿元，计划年产两百万件。2020年，国内共生产11万块碳化硅，其中4英寸的产能也相当可观。计划的产能是有限的，投资的规模也是巨大的，投资的规模也会下降，因此，计划的产能要比计划的规模更大。

从产能到产量，再到良率，再到成本，再到设备，按照他的估计，目前国内的长晶炉已经有三千多台了，但供应的数量并不多，最多也就是6英寸，甚至更多。

车辆对材质的要求很高，这就导致了对材料的要求越来越高，目前国内还在试验阶段，能达到标准的比例并不高。所以潘尧波认为，汽车用碳化硅的需求量会很大。他认为8英寸的扩张速度可以放慢一些，因为如果没有足够的原料，而投入了大量的设备，那么这些产能就会被闲置，从而造成大量的投资成本。

三、国内产业链的外部和内部问题

目前，碳化硅和功率器件的市场份额大部分被国外厂商所垄断。设备行业，欧洲，日本，美国五大龙头，市场份额达到90%；在原材料上，Wolfspeed、I-Ⅵ在基板市场上占据了绝对的优势，Wolfspeed和昭和电气

这两大公司在外延片的市场上几乎是独占的。而我国的碳化硅产业链主要分布于长三角地区，京津冀地区以及粤港澳地区。

▲台湾和中国的碳化硅产业链的分布（方正）

相奇相信，国内碳化硅产业链将会面临全方位的挑战：

1、硅碳化物。我国的长晶技术与世界领先水平还有差距，8英寸要想赶上并实现突破，至少要2-3年的时间。虽然技术上已经比较成熟，但是仍然要依靠国外的技术。

2、器件的设计.由于生产技术的局限，导致材料的优越性没有得到充分的体现，其中包括在设备结构上的优化和创新，由于工艺能力的制约，以及环境的改善。

3、设备制造。首先，基板的外延成本很高，大约有50%以上的合资企业；其次，器件的良品率受到了材料缺陷和产品质量的限制；三是缺少大规模的生产平台，以往的碳化硅规模比较小，主要是以实验室、小型工场为主；第四，专用的仪器也要依靠进口。

4、模块包装.由于体积较小，对散热和可靠性有较高的要求，需要寻找更高的温度下的封装材料。

5、汽车制造商。“缺芯”的问题，特别是“缺中国芯”的问题。

他认为，国内的碳化硅产业，最大的优势就是产业链比较完善，而缺点就是，目前的生产成本还很高，尤其是在原材料上，还得靠进口。国内碳化硅产业发展仍需均衡发展，方可与国外大公司抗衡。

▲广东芯粤能首席技术官相齐

碳化硅为何如此昂贵？潘尧波表示，由于碳化硅成本高，晶体存在着质量、尺寸、厚度、良率和成本等问题，而且有些产品还需要进口，因此供不应求。

碳化硅是仅次于金刚石的硬脆性材料，其加工工艺比较困难。基板的简单加工过程是从晶锭中取出，进行多条切边、倒角、研磨、CMP、清洗、检验，最后装运。其中，切割碳化硅需要120个小时，8英寸切割200个小时，中间不能有丝毫的失误，否则会严重影响切割的质量。

相比基板，碳化硅的技术要求要低一些，但也有四大难点：

1、外延进口设备的交货时间较长。世界上有4大主流进口供应商，国内主要采用3种，现在交货周期较长，有些甚至要60个月，也就是5年。目前生产碳化硅外延器件的公司，已经有六七家了，有些已经开始量产，未来国产的外延器件，将会成为行业的主流。

2、外延三大核心参数（缺陷、浓度、厚度）的测试仪器依靠进口，交货周期较长。目前国内有一家在Demo工艺方面的缺陷。

3、外延器件的产量很低，每个月只有300块，这是一个很小的数字，也许会有新的设备和新的生产线。

4、备件的使用寿命较短，费用较高。加工时需要定期维护，零件中会有少量的碳化硅粒子沉积，严重影响到碳化硅的外延，因此零件寿命相对较短，从而对生产产生一定的影响。

在碳化硅器件领域，相奇与大家分享了自己的研究成果：第一，沟槽MOSFET的结构创新引起了人们的广泛重视，许多器件已经产业化、商品化，并且其器件的结构千变万化，其创新空间也很大；此外，由于界面质量的影响，迁移率较低，急需技术上的突破，碳化硅的优点尚未充分发挥，需要采用新技术、新材料，以改善界面质量、迁移率、增加可靠性。

另外，万伏千安的智能电网还需要超高电压的设备，因此，超高压MOSFET以及超高电压IGBT都是新一轮的研究热点。有了量产平台，有了大量的设计公司，再加上芯片设计与生产的生态圈，这就为设计公司与量产平台之间的沟通提供了一条纽带。

▲硅基和硅基MOSFET的比较

四、“最重要的，就是要在产业链上进行创新。”

陈俭在会议结束时与大家分享了他所见的关于碳化硅行业的潜在前景。

首先是定位。Yole的资料表明，由“三高”（高端、高频、高压）的碳化硅进入，逐渐蚕食了IGBT的市场。“我认为，这是一种“从城市到乡村”的方法，降低成本，做好了，就会有品牌效应，这是不可阻挡的。”陈俭说。

其次，要搞好上下游的关系。下游汽车厂家要求顾客尽快发货，目前有些订单周期要一年，短的要六到七个月，这是一个漫长的过程。

第三，低价、优质、协调。随叫随到是本地的优势，但是在品质上还需要改进。而上游企业则会担忧是否有希望进行投资、定价是否合理、支付方式是否合理。

而上游和下游的合作呢？陈俭觉得，一是下游要有清晰的心态，要扩大应用，扩大市场，这是双赢的选择；第二，要增加上游的投入，保证下游有充足的货源和合理的价格；第三，技术是资本和人才的投入。

而在上游，SBD的应用，已经不是红海了，而是一片血海，成本很低，因此，生产设备和材料的厂商，都要扩大自己的产品。只要技术好，碳化硅MOSFET就会有很大的市场，SDB要区别于市场，价格要逐步回归市场。

科技进步是需要时间的，要想在两三年内有很大的提高是不可能的。所以他们认为，2024年之前，基板的供应会更加紧张，而到了2025年，基板的供应就会更加紧张，而到了2026年，基板的供应将会更加紧张。

陈俭认为，最基本的，还是要在产业链上进行创新，从基板、外延、Fab工艺、封装、碳化硅专用设备和应用方面进行革新。

另外，他相信，需要保护创新者。首先要做好专利布局，然后要做到利益分享，价格要合理；第三，要从创新的角度出发，引进资金，推进标准的建设；第四，要尊重知识产权，反对“反授权”，从立法角度对创新者进行保护；第五，要建立与IMEC类似的第三方合作平台。

五、结论：碳化硅的春天来临，国内供应链迎来新的机会

“我感觉，这就是碳化硅的时代。”陈俭在报告中表示，目前的第三代半导体，碳化硅和氮化镓相对来说更受欢迎，其增长的速度要比硅基的功率器件快得多。“我们认为，未来是一片光明的，但也面临着巨大的挑战，我们需要上下游的合作，用创新来取胜，保护知识产权。”

徐现刚教授认为，碳化硅是一个很好的机会，如果能减少国际贸易的风险，那就是一个很好的机会。

潘尧波也认为，碳化硅产业正处在成长的阶段，在光伏、LED、硅片等行业，都会有新的玩家加入，新的技术也会层出不穷。新技术的涌现，为后来的企业带来了许多新的机遇。