中国粉体网讯 2020年5月，总书记在考察调研山西转型综合改革示范区时，在中国电科（山西）碳化硅材料产业基地展台前，曾接过一片SiC（碳化硅）单晶片仔细观看，并高兴地说这解决了卡脖子问题。
如今近4年时间过去了，当初领导人关切的这个单晶片发展的如何了？
碳化硅，中国半导体换道超车的机会
人类历史上第一次发现碳化硅是在1891年，美国人艾奇逊在电熔金刚石的时候发现一种碳的化合物。几乎同一年代，法国化学家亨利·莫瓦桑在火山喷发的陨石中发现了一种非常罕见的碳化硅晶体，后来人们将其命名为莫桑石，这就是碳化硅最早的合成和发现。
在之后的很长一段时间，碳化硅材料在作为耐火材料、陶瓷材料在钢铁、机械等传统领域得到了极为广泛的应用。而作为一种晶体虽没有引起过多的关注但也在不断发展，如1959年，荷兰Lely发明一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法；1978年，俄罗斯科学家Tairov和Tsvetkov发明了改良的Lely法；1979年，SiC蓝色发光二极管问世。直到2010年8月30日，美国Wolfspeed展示了高品质的150mm碳化硅单晶片，这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮。
而SiC在应用端引起轰动的则来自于特斯拉，2019年，特斯拉作为第一个“吃螃蟹”的车企，大胆的将SiC用到Model 3上，随后其他车厂纷纷效仿，自此，SiC迎来大规模上车的阶段。
一直以来，90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。究其原因，是硅的储备量大，成本比较低，并且制备比较简单、成熟。然而，硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用并不出彩，且硅在高频下的工作性能较差，不适用于高压应用场景。这些限制让硅基功率器件已经渐渐难以满足新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。
SiC、GaN相比Si的优越特性
相比之下，SiC具有一系列优良的物理化学特性，例如它拥有宽禁带，使得单个器件可以承载上万伏电压；热导率高，工作可靠性强；载流子迁移率高、工作频率大，省电节能。这些优势让SiC半导体材料成为卫星通信、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通信基站等重要领域的核心材料。
目前我国在5G通信、电动汽车等新兴产业的技术水平、产业化规模等方面都处于国际优势地位，将促进我国上游半导体行业的持续发展，进一步提高国内半导体企业在国际市场的影响力，尤其对碳化硅器件将产生巨大的需求。
最为关键的是，在第一、二代半导体材料的发展上，我国起步时间远远慢于其他国家，导致处处受制于人，但在第三代半导体材料领域，国内厂商起步与国外厂商相差不多，有很大的希望实现技术上的追赶，完成“换道超车”。
单晶衬底是关键
从产业链层面初步划分，整个碳化硅产业链主要分为单晶片（衬底）制备、外延生长、器件制造三大环节。从工艺流程上看，SiC一般是先被制作成晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片；外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。
碳化硅功率器件产业链
三大环节中，衬底和外延成本占比分别达47%和23%，尤其是单晶衬底，占据价值链主导地位。
据业内人士介绍，SiC单晶衬底生长条件十分严苛，不仅需要经历高温还需要压力精确控制的生长环境，同时这些晶体的生长速度很缓慢，生长质量也不易控制。在生长的过程中即便只出现一丝肉眼无法察觉的管洞，也可能影响晶体的生长质量。SiC晶体的生长过程就如同“蒙眼绣花”一样，因为温度太高，难以进行人工干预，所以晶体的生长过程十分容易遭到扰动。要想生产出高质量的SiC晶片，就必须攻克这些技术难关。
此外，该领域对原材料、设备的高要求也极为苛刻，这就造成了SiC单晶衬底的制备成为了全球性难题。
我国碳化硅衬底产业发展现状
我国的SiC晶体研究从20世纪90年代末才起步，并在发展初期受到技术瓶颈和产能规模限制而未能实现产业化，与国际先进水平相比存在一定的差距。进入21世纪以来，在国家产业政策的支持和引导下，我国SiC晶片产业发展大幅提速。
目前，以天岳先进、天科合达为代表的国内SiC晶片制造企业的部分产品在核心参数上已经达到国际先进水平，晶片产品对外销往北美、欧洲、日本、韩国等国家和地区，与美国Wolfspeed公司、美国Coherent公司等国际企业进行直接竞争。
国内碳化硅衬底供应商分布图
在过去的2023年里，国内SiC产业或许是发展速度最快的一年。首先是SiC衬底取得突破，8英寸产品的推进加速，同时三安和天岳先进、天科合达等获得海外芯片巨头的认可，签下碳化硅衬底长期供货协议。ST还与三安合资建设碳化硅器件工厂，并由三安配套供应碳化硅衬底。
国内主要厂商碳化硅衬底产能情况
另一方面产能扩张速度也较快，2023年国内SiC衬底产能逐步落地，多家厂商的扩产项目都在2023年实现量产或是在产能爬坡过程中。
另外，在市场和政策的双轮驱动下，国内SiC产业项目建设正如雨后春笋般迅速涌现，呈现出遍地开花的局面。据不完全统计，截至到目前，至少在17个城市中都布局了SiC相关的建设项目。其中江苏、上海、山东、浙江、广东、湖南、福建等地已成为SiC产业发展的重要聚集地。
整体来说，目前中国碳化硅产业无论在技术、产业化还是市场发展都较为迅速，“换道超车”的态势已经全面拉开，并逐渐拉小与Wolfspeed等全球龙头企业的距离，“超车”指日可待。
参考来源：
[1]碳化硅，第三代半导体时代的中国机会.科技日报
[2]碳化硅技术：开创半导体领域的新纪元.半导体材料与工艺设备
[3]梁浩斌.2023年国内主要碳化硅衬底供应商产能现状.电子发烧友网
[4]国产SiC衬底的突围之战.半导体行业观察
[5]粉体大数据研究
[6]中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/山川）
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