碳化硅粉 大家都在关注的SiC是什么？

近年来，国内外对碳化硅的关注越来越多，尤其是国外领先的制造商，他们在这个市场上走得很快。这个产品有什么神奇之处？我们来看看。

碳化硅是谁？

碳化硅是由碳和硅组成的化合物半导体材料。碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓等。，因为带隙宽度大于2.2eV，统称为宽带隙半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。

在半导体行业，分为第一代元素半导体材料，如硅、锗；第二代化合物半导体材料:如砷化镓、磷化铟等。第三代宽带隙材料，如碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓等。

其中碳化硅和氮化镓是目前最有前途的半导体材料，堪称半导体行业的新一代“黄金轨道”。

历史上第一次发现碳化硅是在1891年，当时美国人艾奇逊在溶解金刚石的同时发现了一种碳化合物，这是碳化硅的第一次合成和发现。经过一百年的探索，特别是进入21世纪后，人类终于明确了碳化硅的优势和特点，利用碳化硅的特性制造了各种新器件，碳化硅产业发展迅速。

与传统的硅材料相比，碳化硅的带隙宽度是硅的三倍。热导率是硅的4-5倍。击穿电压是硅的8倍。电子饱和漂移率是硅的两倍。

各种特性意味着碳化硅特别适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件。

目前，碳化硅的晶体结构约有200种，分为立方密排闪锌矿α晶体结构和六方密排纤锌矿β晶体结构。

其中，β晶体结构可用于制造高频器件和其他薄膜材料的衬底，如生长氮化镓外延层和制造碳化硅基氮化镓微波射频器件。α晶体4H可用于制造大功率器件。6H最稳定，可用于制作光电器件。

3C碳化硅的晶体结构

未来碳化硅会取代硅吗？

第三代半导体材料的应用领域与传统硅材料完全不同。硅更多地用于制造传统的集成电路芯片，如存储器、处理器、数字电路和模拟电路。碳化硅特别适合制造大功率器件、微波射频器件和光电器件，因为它能承受高电压和高电流。特别是未来功率半导体领域碳化硅成本降低后，硅基MOSFET IGBT将在一定程度上被取代。但是碳化硅不会作为数字芯片使用，两者是互补的。在一些功率器件领域，碳化硅芯片未来会有优势。

新一代黄金赛道，碳化硅赢家赢天下

从应用方面来说，碳化硅被称为“黄金轨道”。

目前，如果碳化硅和氮化镓芯片想充分利用其材料的特性，理想的解决方案是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。即碳化硅上的长碳化硅外延层用于制造功率器件；碳化硅上的长氮化镓外延层可用于制造中低压高频功率器件、高功率微波射频器件和光电器件。

有人不禁要问，碳化硅上长同质外延可以理解，但为什么能成为氮化镓外延片最好的异质衬底？氮化镓外延片为什么不用氮化镓单晶衬底？事实上，理论上来说，氮化镓外延片最好使用自己的氮化镓单晶衬底，但是氮化镓单晶衬底太难制作，反应过程中有数百个副产物难以控制，晶体生长效率极低，而且面积小，价格昂贵，不具备任何经济性。碳化硅和氮化镓具有95%以上的晶格兼容性，其性能指标远远超过蓝宝石、硅、砷化镓等其他衬底材料。因此，碳化硅基氮化镓外延片是最佳选择。

所以碳化硅衬底材料可以满足两种最有潜力的材料对衬底材料的需求，“一材两用”，所以这就是“碳化硅的赢家赢天下”的说法来源。

碳化硅有什么优点？

如果只算碳化硅芯片，碳化硅在功率半导体方面有着传统硅基功率芯片无法比拟的优势:碳化硅可以承受更高的电流和电压，更高的开关速度，更少的能量损耗，更高的耐温性。因此，由碳化硅制成的功率模块可以相应地减少电容、电感、线圈和散热组件的组件，使得整个功率器件模块更轻、更节能、输出功率更强，同时增强了可靠性，优势明显。

从终端应用层来看，碳化硅材料广泛应用于高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变器、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、下一代显示等领域，市场潜力巨大。

2015年，汽车巨头丰田展示了PCU所有的碳化硅模块。相比之下，碳化硅PCU的体积仅为传统硅PCU的1/5，重量减轻了35%，动力损失从20%降低到5%，混合动力汽车的经济性提高了10%以上，具有明显的经济效益和社会效益。

碳化硅 PCU 和硅 PCU的对比碳化硅PCU与硅PCU的比较

此外，知名电动车制造商特斯拉的Model 3也宣布采用意法半导体的所有碳化硅模块。业内业外都看到了碳化硅未来巨大的应用潜力，纷纷布局，“黄金跑道”名副其实。

说爱你并不容易

所有的优质女生都不好找，所有的好材料都不好做。

碳化硅未来巨大的商业前景大家都知道，但所有加入这个行业的人都会遇到第一个最现实的问题。材料呢？

目前，传统硅基行业极其成熟的商业环境至少是由于硅材料的易得性。硅材料成熟高效的制备技术使得硅材料目前非常便宜。目前6寸硅抛光片才150元左右，8寸300元，12寸850元。

只有原材料足够便宜，行业规模才能更大！

目前，直拉法在72小时内可以生长2-3米左右的硅单晶棒，一根硅单晶棒可以一次切割数千个硅片。

你知道72小时能生长出多少厚的碳化硅单晶吗？只有几厘米不到！！！

目前碳化硅单晶最快的生长方法是0.1mm/h-0.2mm/h左右，所以72小时内只有7.2 mm-14.4 mm厚的晶体。

所以你可以想象碳化硅单片可以有多贵。目前4寸碳化硅价格在4000-5000元左右，6寸碳化硅价格高达8000-10000元。

就这么薄的一块，买华为最新的5G手机，找别人！但是想买也买不到啊！

作为全球领先的碳化硅企业，Cree几乎垄断了其70%以上的产能，因此国内外下游厂商纷纷与Cree签订长期合同锁定产能。

目前碳化硅芯片供不应求，价格昂贵，是行业最大的痛点。只要掌握碳化硅原料就等于控制了行业的核心，其他的事情相对容易解决，目前最难解决的问题就是原料。如果国内公司能解决痛点，发展机会就大了！无论华为未来是真的想做碳化硅还是有其他战略目标，华为这次投资国内龙头都是合理的。

掌握原材料会主导整个行业！

我们已经落后于传统的硅器件，我们真的不希望在第三代半导体领域再次发生。所以无论是国家政策支持，还是社会资本投入，都积极支持中国第三代半导体产业的发展，“黄金跑道”名副其实！

进一步阅读:为什么碳化硅这么难做？

自然界没有的碳化硅，必须人工合成，结果必然是成本远高于自然可以开采的材料。

碳化硅的升华熔点在2700度左右，没有液体，只有固体和气体，注定不能用类似提拉单晶的直拉法制备。

目前，半导体级高纯碳化硅单晶的制备主要是Lely改性法，有三种技术路线，即物理气相传输法、溶液转移法和高温化学气相沉积法。

PVT法PVT方法

LPE法LPE方法

HT-CVD法高温化学气相沉积法

三种方法的原理及优劣势对比三种方法的原理及优缺点比较

LPE方法仅用于实验室。商业路线中有许多PVT方法和高温化学气相沉积方法。由于PVT炉的价格低于高温化学气相沉积设备，工艺更简单，PVT法在业界普遍受到青睐。

无论是HT-CVD还是PVT，效率都是极慢的，最快的生长速度也只有每小时0.1-0.2毫米，所以几天几夜也就几厘米长。

PVT法其实很简单，类似于水蒸气在锅盖上的凝结过程。就是把碳化硅粉末加热，然后利用温度梯度差在上面凝结生长晶体。优点是方法简单，设备便宜。缺点是目前速度慢，碳化硅粉质量极高，对晶体缺陷、位错密度等一系列指标影响很大。

目前国内直接将焦炭和石英粉混合加热，然后粉碎成碳化硅粉末，用酸洗涤。这种用工业级碳化硅粉制作半导体级碳化硅粉的方法，号称能制作出5N以上的高纯碳化硅粉，个人深表怀疑。

个人判断，未来PVT技术的发展方向应该是炉体、粉体、工艺同步发展，使碳化硅晶体生长技术不断进步。

“目前很多人都在研究和关注炉体和长晶技术。其实粉技也很重要。”泰州益能科技总经理张乐年表示:“我们将更多的精力投入到原材料高纯碳化硅粉体的研究上。”

张先生说，碳化硅粉末的纯度、晶型和比表面积对法生长晶体至关重要。

“我们有自己的粉末技术，我们的粉末具有高纯度、大比表面积和3C晶态。这种高比表面积的粉末在加热过程中吸热非常快，使得PVT炉中碳化硅气体的浓度远远超过普通粉末加热后的浓度。在高浓度环境下，晶体的结晶速度大大加快。目前，特种粉体的实验速度可以达到普通粉体的5倍，而且由于粉体纯度高，晶体质量优异。”

目前，台州一能科技开发了一种合成碳化硅粉体的新方法——“局部超高温碳化硅粉体合成法”，已获得国内外20多项专利。

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从产业链图可以看出，碳化硅分为单晶、外延、设计、制造、封装和模块制造，最后到终端应用。

单晶制备领域，除了华为这次投资的公司，还有田可何达、河北同光、世纪广金、神州科技、中科颜刚，还有2、13、46、55中电。此外，还有一个由萨南光电控制的北电新材料。

扩建部分有韩天成、东莞天宇、北电新材料、世纪广金、中电等13家公司和55家公司。

在制作过程中，国内领先的是泰科天润。其他包括世纪广金、深圳基础半导体、广信润泽等公司，以及相当数量的原本制造传统硅基功率半导体的大型工厂，现在开始向碳化硅轨道部署，如CRRC时报、杨过电子、兰斯微、杨洁科技、嘉兴斯达，甚至汽车公司比亚迪也有布局。国内电力老大华润微电子也在招股书中透露，准备投资上亿元大力发展碳化硅产业，此外还有一