碳化硅第三代半导体技术

得碳化硅得天下
文 | 步日欣
内容精要：小米快充，激活的是第三代半导体材料氮化镓（GaN），除了氮化镓，第三代半导体产业化成熟的还有碳化硅（SiC）。“得碳化硅者，得天下”，恰逢国内上市公司露笑科技（002617）正在筹划非公开发行股票，募投方向正是碳化硅（SiC）晶体材料的产业化，本文结合露笑科技电话会议的内容，对第三代半导体材料碳化硅的技术和产品，以及露笑科技在碳化硅领域的产业布局，进行一个全方位的解读。

最近二级市场火热的第三代半导体，在小米快速充电头的助力下引爆，在资本市场上引起的波澜，估计雷军也始料未及。因为小米快充用的是氮化镓（GaN）功率器件，因此大家普遍关注的是第三代半导体材料之一的氮化镓。
而第三代半导体已经产业化应用的，除了氮化镓（GaN），还有另外一种材料——碳化硅（SiC）。
“得碳化硅者，得天下”
这是品利基金投资经理陈启最早喊出的一句口号，以碳化硅为衬底材料，碳化硅基碳化硅、碳化硅基氮化镓，既可以满足功率器件要求，又可以做射频器件，一材两用，足以见得碳化硅材料在第三代半导体中的地位，而且产业化成熟，未来前景可期。
恰逢国内上市公司露笑科技（002617）正在筹划非公开发行股票，募投方向正是第三代半导体材料碳化硅（SiC）晶体材料的产业化。2月23日，上市公司董秘、财务总监和碳化硅项目负责人，还专门就此次增发和公司碳化硅业务，在财通电新平台上向投资者做了解答。
在资本市场爆发的一周内启动增发，节奏掌握的够准。
本文结合此次电话会议内容，对第三代半导体材料碳化硅的技术和产品，以及露笑科技在碳化硅领域的产业布局，进行一个全方位的解读。
根据公众号“创道咨询”（FinanceDL）昨天的文章《虚虚实实第三代半导体，一文看透几家上市公司概念》，已经对几家涉及第三代半导体概念的上市公司做了一个初步解读，其中就包括露笑科技。

在第三代半导体领域，露笑科技专注的是碳化硅长晶设备和碳化硅晶体材料。长晶设备已经向合作伙伴供货，碳化硅晶体材料是此次募投方向。所以露笑科技在碳化硅领域的阶段定位为早期，技术成熟，市场有待开拓。
今天我们就谈一谈，第三代半导体材料的主角之一，
碳化硅（SiC）。
本文尝试将碳化硅技术、产品和市场，以及露笑科技的产业布局，穿插在一起讲，希望能够更形象一些。为了辨识度更高，本文黑色字体为碳化硅通识介绍，蓝色字体为露笑科技相关介绍。
首先，对于第三代半导体材料，主要是区别于一代、二代而言，但基本上都是四族元素（碳、硅、锗）及其化合物：

第一代半导体材料以硅（Si）、锗(Ge)为代表；第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表；第三代半导体材料，目前各大厂商摩拳擦掌积极布局的，包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氮化铝（AlN）、金刚石（C）等。
zhaojh@kw.beijing.gov.cn这三代半导体，划分标准主要是按照材料性能指标高低及产业化难易程度，越往高世代，产业化难度越高，材料性能越优异，包括禁带宽度、导热率、击穿电压等。比如本文要讲的碳化硅（SiC），与第一代半导体材料硅（Si）相比，禁带宽度是硅的3倍、导热率3倍、击穿电场9倍、饱和漂移速度2.7倍。

我们都知道，半导体的本质就是“开-关”特性，反映到数字领域就是“0-1”，构成了所有数字世界的基础。第一代半导体如此，第三代半导体也不例外，要么为了实现数字计算的01，要么为了实现物理世界的开关。碳化硅（SiC）的优异半导体属性，就是为了在特殊领域实现开-关特性，比如耐高温、高压，大电流的高频大功率的器件，比如5G毫米波领域……
具体到碳化硅（SiC）材料，由于原子的排列结构不同，可以形成几百种形态各异的晶体结构，比较常用的如α晶型结构（2H、4H、6H、15R）和β晶型结构（3C-SiC）等。

晶体结构的不同，决定了材料的性能不同，应用领域也不同：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；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。
此次露笑科技定增的募投方向，就是用于碳化硅（SiC）晶体材料和制备项目，初步拟定产品为4-6英寸半绝缘片以及4H晶体N型导电碳化硅衬底片。
根据露笑科技在此次电话会议上的解答，半绝缘片主要用于军工领域，需求量较小，但毛利率较高；4H晶体N型导电碳化硅衬底片适用于大功率器件（HEMT、SBD、MOSFET、IGBT等），市场需求量大，是公司未来的主力产品；而对于β晶型结构（3C-SiC），公司目前考察市场需求量不大，但不排除未来公司根据市场需求，调节产线的产能分配。
而对于4英寸和6英寸的问题，国际上不少碳化硅材料企业都转向6英寸，这是一个趋势。露笑科技募投方向包括4英寸和6英寸，主要原因是目前国内碳化硅器件制造领域，还有许多4英寸存量产线，有足够的市场需求，短时间内不会马上过渡到6英寸。
由此可见，露笑科技此次募投方向，主要还是针对的是碳化硅晶体材料。那么碳化硅产业链条如何呢？每个产业链环节上的公司都有哪些呢？

同其他半导体产业一样，碳化硅产业也包括晶体材料制造（长晶、衬底）、外延片、晶圆制造、封装测试、器件、应用等几个环节。
露笑科技主营业务是蓝宝石衬底生产，主要针对LED光电领域。蓝宝石作为一种衬底材料，也在半导体领域发挥了巨大作用，所以此次露笑科技过渡到碳化硅，也算顺理成章。
虽然此次露笑科技的定增募投方向是碳化硅晶体材料项目，但露笑科技从很早之前就开始储备碳化硅长晶技术了。根据此次电话会议和公开资料披露，公司在去年8月就向合作伙伴国宏中宇提供了80套碳化硅长晶炉成套设备。
不过从产业链参与企业看，产业前段的碳化硅晶体制造环节是技术含量最高的，但这个环节被美国科锐公司（Cree）掌控者，基本上控制了国际碳化硅单晶的市场价格和质量标准，占全球碳化硅单晶80%以上的市场份额。
国产替代是趋势，露笑科技算是国内为数不多的想瓜分科锐公司市场的参与者，但技术实力确实无法和科锐公司相抗衡。此次电话会议，笔者还特意问了公司碳化硅项目负责人，在知识产权方面，公司是否存在与科锐公司有冲突或者授权的情况。得到的答复是，公司的碳化硅长晶炉设备，是在蓝宝石衬底设备长期技术积累的基础上，依靠自主研发设备升级完成，具有完全的自主知识产权。
如果属实，这确实是一个好消息，体现了公司的技术实力。不过话也说回来了，科锐公司关于碳化硅的核心专利，主要是在93、94年申请的，大部分已经到期或者即将到期。
除了露笑科技，国内在碳化硅晶体制造环节参与的公司还有：山东天岳，前段时间被华为公司参股，也成了网红；天科合达，新三板企业，250台(套)碳化硅单晶生长炉及其配套切、磨、抛设备的碳化硅衬底生产线；与露笑科技合作的中科钢研；三安光电旗下的北电新材也有碳化硅产品……
国际上，除了科锐公司，美国二六（II-VI）、道康宁（Dow Corning）、德国SiCrystaAG、日本新日铁等公司也都积极参与其中。
碳化硅晶体，属于化合物半导体材料，自然界是没有现成的材料可供开采的，只能通过化学合成，而且合成工艺很复杂，速度超级慢，所以成本较高。
根据露笑科技相关人员介绍，当前碳化硅晶圆的价格高出硅晶圆的数倍，碳化硅4英寸晶圆需要3000多元，6英寸晶圆在7000元以上。主要原因是碳化硅晶体制造工序复杂，长晶速度慢，产能受限。七八天的时间，才能生长几厘米。
制造碳化硅晶体，需要用到碳化硅长晶炉，涉及到的技术路线包括：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）。其中，PVT因为工艺过程简单，设备价格较低，所以行业采用率也最高。

非化工专业读者简单理解一下原理就好，PVT方法制造碳化硅晶体，就如同锅底上积累下来的厚厚一层锅灰。在长晶炉里，碳化硅粉体在2000多度的高温下被气化，然后因炉内温差，又在炉子的顶端凝结成固体晶体。
就这个速度，几天几夜能长个一两厘米。
露笑科技的碳化硅长晶炉，也是采用的PVT法。从公司介绍来看，虽然技术水平没法和科锐公司相提并论，但在国内碳化硅晶体、衬底片加工和制备方面，属于第一梯队。
接下来再看看碳化硅的器件和行业应用方面。

前面提到了，不同的半导体材料属性不同，制作出来的器件性能也不同。因为第三代半导体材料的优异特性，包括禁带宽度、导热率、击穿电压等，都比一、二代半导体材料优越。
碳化硅凭借其宽禁带、耐高温、大电压、高电流、优越的散热性能，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。可应用于工业机电、5G通信、高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、消费电子等领域。
根据露笑科技的介绍，目前硅也在功率器件中有所应用，但受制于产品性能，主要应用于消费电子领域。随着SiC产能的提升，如果产品价格逐步下降，SiC有逐步取代Si的趋势。

露笑科技目前生产的碳化硅晶体衬底，主要有几个应用方向，军工、工业、5G等。根据公司的介绍，碳化硅基氮化镓外延片，可以用于5G毫米波射频器件加工领域。而其他功率器件客户群体也巨大，传统的功率器件制造IDM公司，都在转型积极布局碳化硅功率器件，市场需求量巨大。
涉及到市场竞争问题，公司不认为会像公司原有业务蓝宝石衬底一样，快速进入红海市场。虽然碳化硅晶体领域，已经有山东天岳、天科合达等公司参与，但市场足够大、技术壁垒足够高，产品处于供不应求状态。
而且碳化硅针对市场领域与蓝宝石不同，蓝宝石主要应用于LED、消费行业，主要存量博弈，市场有限。碳化硅作为基础材料，下游应用主要在工业领域，市场空间很大，毛利较高，跟蓝宝石完全不同量级。因此，公司的碳化硅业务不会步入蓝宝石后尘。
其他关于露笑科技此次电话会议披露信息：
1）公司布局的重点为碳化硅（SiC）晶体材料（衬底），未来会考虑碳化硅外延片，但没有布局产业链下游的碳化硅功率器件的打算。
2）公司此次增发刚刚开始，尚未确定参与的投资机构，欢迎到公司现场调研，进一步探讨公司产品的一些技术细节。
3）碳化硅的市场需求角度，目前国内的SiC衬底片国内只占5%，而市场需求则占45%，每年有35%增幅，供小于求，投资大，周期长，市场参与企业数量不多。

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