從多晶硅到碳化硅，中國又一場新材料逆襲之戰。

　　來源：億歐網

　　文｜陳俊一 馬渭淞 苑晶銘

　　編輯 | 常亮

　　題圖｜Pixabay

　　福建艦下水，眾多軍迷歡呼雀躍。

　　一連串問題接踵而至：為什么不采用核動力、電磁彈射技術是否超過福特級、常規動力如何分配電力、航母還有哪些新技術值得一說……

　　其實，很多新技術在民用領域逐漸成熟之后，都能夠在航母建設中發揮重要作用。

　　比如碳化硅（SiC），作為硅與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物，在大自然一般以莫桑石等礦物形式存在。而航母甲板的耐火涂層會用到碳化硅復合材料；航母上的相控陣雷達，需要使用基于碳化硅（SiC）的高功率收/發組件，讓雷達的探測距離更遠，目標分辨率更高；甚至太空中監控航母的衛星，也會用到碳化硅反射鏡。

　　2018年，長春光機所研制出4.03米口徑的高精度碳化硅非球面反射鏡。有外媒報道，該反射鏡發射到太空，甚至能看清某國航母甲板上的裂縫。

　　用于耐火涂層、反射鏡的碳化硅，用于相控雷達的碳化硅，其實是兩種不同的材料。前者屬于“碳化硅復合材料”，后者則屬于“第三代半導體碳化硅”，兩者應用領域完全不同。

　　碳化硅復合材料主要應用于航空航天、核能、軌道交通、光學系統，以耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊、強韌性等為特點；作為第三代半導體材料的碳化硅，主要是作為功率半導體器件的襯底材料，用于通信、雷達、汽車、高鐵、衛星通信、航空航天等場景，比如新能源汽車的功率控制單元、逆變器、DC-DC轉換器、車載充電器等。

　　本文則主要聚焦作為第三代半導體材料的碳化硅——中國碳化硅產業能否像光伏產業那樣逆襲成功？

　　為什么是碳化硅？

　　以碳化硅為代表的第三代半導體，具備優異的材料物理特性。早在2018年，特斯拉MODEL 3在主逆變器中就安裝了24個由意法半導體生產的碳化硅MOSFET功率模塊。

　　彼時，一塊碳化硅芯片的價格要比傳統硅芯片貴十倍左右。一直以來，特斯拉在成本控制上都極為謹慎，因此采用模塊化平臺、車體壓鑄一體成型、電池包優化設計、放棄激光雷達，盡可能壓縮成本。相比之下，為了提升續航能力，特斯拉愿意為碳化硅芯片花費重金，可見碳化硅的性能不可替代。

　　我國政府也在積極鼓勵推動碳化硅材料的應用。2021年，十四五規劃等政策就提出我國將加速推動以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體新材料新技術產業化進程，催生一批高速成長的新材料企業。

　　據TrendForce，全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場預計2022年將達到18.4億美元，2025年會進一步增長到52.9億美元。Yole發布的Power SiC 2022報告更預測到2027年，碳化硅器件市場將超過70億美元，比2021年的10億美元增加60億美元。Wolfspeed援引Yole數據則預估2026年，僅碳化硅材料領域市場空間就有17億美元。

　　市場需求增加之下，全球碳化硅市場未來幾年將處于高速成長階段。

　　此外，在碳中和趨勢下，碳化硅有望在新能源汽車、光伏、風電、工控等領域持續滲透。

　　以新能源汽車為例，根據Cree公司提供的測算，將純電動車的逆變器中的功率組件改成碳化硅器件時,由于電能轉換效率提高、電能利用效率提高、無效熱耗減少，整車功耗可以減少約5%到10%。

　　中國企業正逐步掌握核心技術

　　碳化硅未來市場龐大，而中國近年來也頻繁出臺政策助力碳化硅等第三代半導體行業發展，國內產業鏈逐步成熟。

　　作為第三代半導體產業發展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求。在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。

　　目前，碳化硅襯底主流尺寸為4-6 英寸，8 英寸襯底僅有Wolfspeed、II-VI 公司和意法半導體等少數幾家研制成功，其中，美國半導體材料和設備公司Wolfspeed 是首家掌握8 英寸量產技術并建設晶圓廠的公司。

　　傳統半導體行業中，中國與發達國家存在較大差距；但全球碳化硅第三代半導體仍處于產業化初期，中國與發達國家的整體差距卻并不大。同時，受益于中國5G通訊、新能源等新興產業的技術水平、產業化規模的世界領先地位，國內碳化硅器件巨大的應用市場空間驅動上游半導體材料行業快速發展。

　　法國專利分析機構 Knowmade 5月發布的碳化硅產業鏈知識產權報告就從襯底、外延到器件、模塊各環節梳理了不同國家廠商與研究機構專利布局，并指出，在價值極高的襯底領域，盡管 Wolfspeed、II-VI 等廠商不斷申請新專利，但日本企業住友電工和昭和電工仍然占據優勢地位，山東天岳、天科合達等中國廠商也已有一定規模布局。

　　據統計，在半絕緣型碳化硅襯底方面，2020年全球半絕緣型碳化硅襯底市場集中度較高，美國的Wolfspeed、II-IV以及國內山東天岳三家獨大，占比合計高達98%。

　　除此之外，在導電型碳化硅襯底方面，雖然在2020年底美國的Wolfspeed依舊一家獨大，市占率高達62%，但II-VI、SiCrystal、SKSiltron、天科合達等企業也成功占領了部分市場份額。

　　由此可見，在碳化硅產業中，中國企業正逐漸向上游進發，正逐步掌握核心技術。

　　而在碳化硅的專利申請領域，供應鏈各個環節中已存在大量擁有知識產權的中國企業。

　　例如，在塊狀碳化硅領域，中國電科研究所、山東大學和中科院（上海硅酸鹽研究所、物理研究所、半導體研究所）等研究機構在中國率先開展了碳化硅晶體生長的研究。

　　并且在中科院上海硅酸鹽研究所支持下，北京世紀金光于2012年建立其首條四英寸試點生產線，并于2016年和2017年獲得了北京華進創威電子在塊狀碳化硅領域擁有的至少17項專利發明的知識產權。

　　近日，中國科學院物理研究所也宣布，已成功研制出單一4H晶型的8英寸碳化硅晶體，晶坯厚度接近19.6 mm，同時加工出了厚度約2mm的8英寸SiC晶片，相關工作已申請了三項中國發明專利。

　　正因為中國企業在碳化硅領域接連不斷獲取專利，Knowmade在報告著重提出，中國企業正加快專利申請，以支持形成自主可控的完整國內供應鏈，中國大陸地區專利申請已經覆蓋了整個產業鏈，并形成了較為活躍的知識產權合作網絡。

　　8英寸碳化硅普及還需至少5年

　　隨著中國科研機構以及中國企業在核心技術上逐步縮小與  Wolfspeed、意法半導體等的差距，中國正在掀起一場“數量壓倒質量”的全球碳化硅產業格局變革。

　　數量壓倒質量并非不注重高精尖研發，而是在碳化硅技術先進性較國外企業有所落后的情況下，用中國更廣大的市場、更龐大的產能，奮起直追，直到占據碳化硅產業大部分產能，并占領技術的制高點。

　　比如，我國擁有全球最多的5G基站，現已建成了5G基站數量占全球70%以上。據5月17日工業和信息化部副部長張云明的通報，目前我國已建成5G基站近160萬個。中國信息通信研究院副院長王志勤也在行業會議上透露，2022年預計將新建60萬個5G基站，5G基站總數到年底將超過200萬個。

　　全球最多數量5G基站的能耗問題，就是碳化硅可以應用的一大下游市場。

　　據了解，5G單位比特能耗是4G的1/5，但5G峰值速率相比4G增長了20倍，且配套設備、天線數、站點數相比4G成倍增加，因此5G網絡實際耗能大于4G網絡。。

　　數據顯示，5G基站的電費支出占整體網絡能耗的80%以上。比如設備發熱問題嚴重，為保障設備的穩定運行，機房就需要配置空調。這樣一來，不僅站點占地面積大，空調能耗高，站點能效通常只有50%只有60%。因此，各大運營商紛紛提出5G綠色機房、綠色基站建設，這也給碳化硅應用提供了廣闊的市場空間。

　　盡管目前全球市場份額中國企業只占據小頭，Wolfspeed、Soitec、意法半導體、英飛凌、羅姆等仍占據主要市場。但光伏領域的成功逆襲，意味著在碳化硅領域再復制一場“數量壓倒質量”的成功，并非不可能。

　　多晶硅、硅片等光伏領域，我國技術最初遠落后于國外，產能占全球比例更是微乎其微。但從21世紀初開始，中國企業奮起直追，目前硅料、硅片均占據了全球七成以上產能。

　　據火石創造統計，以2020年營收排序的2021全球光伏企業20強中，中國企業占據18個席位，其他國家只有韓國韓華、美國FirstSolar兩家企業入選，且與營收均超50億美元的榜單前三隆基、協鑫、晶科差距極大。

　　這還只是2020年營收，2021年中國光伏企業又一次大幅增長，也進一步拉大了與國外企業的差距。

　　而碳化硅作為第三代半導體材料，中國產業鏈與國際領先水平的差距并不像第一代半導體那么大，已經初步形成了從襯底、外延片到器件、模塊較為完整的產品供應鏈。在8英寸晶圓上，國際頭部廠商也依然處于起步階段。

　　據中國電子報報道，碳化硅領域頭部廠商都在布局比6英寸更加先進的8英寸碳化硅晶圓，Wolfspeed2015年便展示了8英寸碳化硅襯底；Soitec于2021年宣布5年投資計劃，將新建的兩座碳化硅晶圓廠中，一座為6英寸、一座為8英寸；意法半導體2019年收購Norste，并將其更名為意法半導體碳化硅公司后也表示，將進行8英寸碳化硅晶圓的生產開發，并計劃在8英寸碳化硅晶圓上率先制造功率二極管、MOSFET等產品。

　　但碳化硅晶圓向8英寸升級之路依然充滿不確定性，碳化硅的8英寸時代只是初現曙光，并沒有真正到來。IGBT發明人B.Jayant Baliga就曾指出，碳化硅與硅基半導體材料相比，襯底生長極為困難和緩慢，8英寸與6英寸碳化硅晶圓的工藝有很大差別，6英寸技術上的經驗并不能直接復用于8英寸。

　　Wolfspeed盡管已率先啟動8英寸碳化硅晶圓廠試產，但專業人士預計，整個碳化硅行業要想真正進入8英寸時代預計還需要5到6年的過渡時間。

　　而這些過渡時間，也恰好給了中國廠商更多的準備時間。在產業競爭中，5年時間，往往就會發生很大變化。

　　寫在最后

　　新能源汽車，是碳化硅目前最為看重的應用領域。

　　蔚來最新款車型ES7就應用了碳化硅功率模塊的第二代高效電驅平臺，在效能更高的同時還使ES7百公里加速僅需3.9秒。

　　近日上市號稱“500萬內最好”的理想L9，其電驅系統中就采用了來自蘇州斯科半導體的碳化硅功率模塊。而斯科半導體是2022年3月剛成立的一家企業，由理想汽車與三安光電共同出資組建，主要專注于第三代半導體碳化硅車規芯片模組的研發及生產。

　　這也可見，車企同樣看重碳化硅，并嘗試涉足上游碳化硅產業鏈。由于斯科半導體還沒有投產，理想L9上的斯科碳化硅功率模塊，估計來自三安光電產線。

　　據報道，一臺新能源汽車上使用的硅基IGBT模塊價格約為1500-1700元，而碳化硅MOSFET功率模塊的價格約是硅基IGBT模塊的2.5-3倍，隨著技術進步未來仍有降價空間，這也意味著將會有更多新能源汽車搭載。

　　當然，中國碳化硅企業要想上演一場堪比光伏領域的逆襲之戰，除了要贏得新能源車領域的“戰爭”，更要將普及碳化硅的戰事引到更多領域，如此，才能借助中國龐大的市場需求，再次創造一場碳化硅逆襲之戰。