全球新一轮科技革命和产业变革加速演进，在对能源需求更加迫切的同时，对能源的节约也摆在更为突出的战略位置，以效率优势实现节能优势正成为今后主要的能源利用模式。

新能源汽车作为引领这场时代变革的“头雁”，为我国碳化硅材料发展提供了难得机遇。碳化硅功率器件相比硅器件具有输出功率高、能量损耗低、体积小、散热能力强等显著优势，是新能源汽车电驱动系统和车载充电系统的核心部件。当前，我国碳化硅产业已跨越从“0”到“1”的技术研发阶段，正向从“1”到“N”的工程技术迭代稳步推进，但大尺寸导电型衬底量产能力不足仍是制约产业高端突破的关键。宜坚持“主抓衬底，向绿图强”的总体发展思路，因地制宜，加大监管，防范风险，力争“十四五”时期实现产业高端突破。

一、

碳化硅产业的新变化

（一）全球新能源汽车需求增长与碳化硅 衬底供给能力不足构成突出矛盾

新能源汽车取代传统燃油车已成为碳中和大势下的必然路径，尤其是纯电动汽车正受到全球消费者的高度青睐。从需求端看，国际能源署在今年5月发布了全球碳中和路线图，预估未来十年新能源汽车销量将增长18倍，于2030年达到5500万辆。同时，新能源汽车中碳化硅器件对传统硅器件的替代也成提升新能源汽车性能的主流方案，预计2025年全球对6英寸碳化硅衬底需求将达169万片；从供给侧看，全球碳化硅衬底尺寸仍以6英寸为主、4英寸为辅，年产能折合6英寸仅50万片。尽管意法半导体今年已试产8英寸衬底，但全面进入8英寸时代仍需较长时间；从供需匹配看，目前每两辆纯电动汽车就需要一片6英寸碳化硅衬底，特斯拉今年交货量将达100万台，全球产能目前仅能勉强维持特斯拉需求，衬底量产能力不足或短期内难以改善。

（二）国外巨头加速并购合作与国内企业 孤军奋战形成鲜明对比

碳化硅材料的优越性能、短缺现实和技术难点，巩固了其在半导体市场中的优势地位，进而成为国外巨头抢占的技术“新高地”。近几年，围绕碳化硅衬底的并购整合方兴未艾，并呈加速态势，对保障全球碳化硅供应链和企业自身发展起到显著促进作用。2018年，英飞凌收购德国Siltectra，其衬底切割技术大幅提高英飞凌的量产能力。2019年，韩国SK Siltron收购美国杜邦的碳化硅衬底业务，其6英寸衬底产能大幅跃升；意法半导体收购瑞典Norstel AB的45%股权，对意法半导体率先开展8英寸衬底量产起到关键作用。今年，安森美收购GT Advanced Technologies和法国Soitec收 购NOVASiC都是行业巨头对有限衬底资源的抢夺战，继而在新能源汽车赛道上先发制人。相比之下，国内产业链并购整合屈指可数，IDM企业更是凤毛麟角，企业单打独斗难以形成有效合力。

（三）国外碳化硅颠覆性技术急剧迸发与 国内技术迭代不足形成强烈反差

经过多年迭代，传统碳化硅技术趋于稳定，但对进一步提升器件性能和降低成本效果甚微，碳化硅颠覆性技术成为推动产业变革的“高速反应釜”。特别是今年以来，美、日等碳化硅强国研发加速推进，形成一批具有改变“游戏规则”的颠覆性技术。在衬底制备方面，日本研发表面纳米控制技术，可完全消除缺陷并大幅提升衬底生产效率；英飞凌研发冷切割技术，可将衬底损耗减少一半。在器件封装方面，日本研发高速整平封装技术，可将镜面加工抛光速度提高12倍。 在设备工艺方面，应用材料推出新型热离子注入系统，可大幅提升器件电源转换效率。此外，借助人工智能与高精度制造技术，或实现厘米尺寸碳化硅衬底；新器件、新结构不断涌现，碳化硅器件的应用场景还将进一步扩大。相比之下，国内技术迭代集中在器件工艺优化，对核心技术掌握和颠覆性技术储备明显不足。

二、

我国碳化硅产业高端突破面临的三大挑战

（一）受材料物理化学性质影响，碳化硅 衬底制备存在较高技术门槛

碳化硅产业链涉及衬底制备、外延生长、器件制造和封测，衬底制备作为难度最大、技术含量最高、价值占比最重的环节，是整个产业链的“压舱石”。与硅相比，碳化硅的共价键键能更高、晶体构型的种类更丰富，本质上决定单晶衬底制备面临两方面突出困难：一是晶体生长条件极为苛刻。碳化硅生长温度介于2000℃-2500之间，压力高达350MPa，高温高压条件对设备硬件参数和工艺条件要求更高。二是晶型“百里挑一”。碳化硅有近250种晶体结构，仅4H型禁带宽度最大，适合制作功率半导体。由于每种结构对原材料配比和温度变化非常敏感，需要在生长对原料配比和热场精准控制。目前，国内碳化硅衬底的晶体质量依然较差，反映出国内企业掌握产业核心技术能力不足的情况比较突出。

（二）受技术路径锁定限制，企业生产成 本始终居高不下

碳化硅衬底的国际主流制备方案是物理气相输运（PVT）法，但PVT法的生产效率依然较低，企业生产面临三重障碍：一是碳化硅晶体生长速度极慢，平均生长速度约为0.2-1毫米/小时，仅为硅晶棒的十分之一；二是碳化硅晶棒厚度存在瓶颈，一般每个生长周期（7-10天）晶棒厚度仅2厘米，无法通过增加生长时间实现厚度增加，而硅晶棒厚度可达2米以上；三是晶体扩径难以实现，扩径需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面控制要素，控制难度和研发投入呈现几何级增长。此外，由于碳化硅材料硬度仅次于金刚石，在晶棒切割环节磨损较多，额外增加了产品成本。随着衬底尺寸扩充，研发成本将呈现指数增长，国内企业的产品成本将大幅增加。

（三）受产业发展初期影响，“投资潮”“蹭 热点”引发的产业链风险不断攀升

我国碳化硅产业发展仍处于初级阶段，认识不足、核心技术匮乏、人才缺失、迭代效率低、产业链协同能力不强等短板难以在短时间内补齐，产业链潜在风险不断暴露：一是“碳达峰、碳中和”大背景加速了资本对碳化硅产业的追捧，部分项目规划产能与实际量产能力存在较大鸿沟，企业买料加工、毛利率低、产品良率差的情况普遍存在；二是缺乏科学规划，新建产线在未来面向的市场、工艺、产品等方面缺乏清晰定位，多数产线建设初期没有明确的目标客户；三是对碳化硅行业的知识普及力度不够，导致地方政府和资本机构弱化了碳化硅产业化难度，企业“空心化”、产品“低端化”“同质化”已成行业主要特点。从产业发展规律看，未来一段时间行业将面临深度整合，将大幅消耗产业发展的战略机遇期。

三、

政策建议

一是坚持“主抓衬底，向绿图强”的产业总体发展思路。当前和今后一段时期，要把提升碳化硅衬底量产能力摆在突出位置，持续加大对衬底行业的投资力度，加快推进8英寸导电型碳化硅衬底研发进度，持续提升6英寸衬底生产能力，为中下游企业自主创新夯实基础。适时优化产业布局，鼓励龙头企业开展全产业链并购整合，打造形成几家具有一定国际竞争力的IDM企业。同时，牢牢抓住“数字化绿色化同步转型”的战略契机，面向新能源汽车、能源互联网两大核心领域，充分发挥我国大国大市场和新型举国体制优势，加快国产产品在电动汽车、直流充电桩、光伏逆变器、风电变流器中的验证和推广应用。

二是加强对地方碳化硅产业投融资项目的规划与监管。可由行业监管部门委托赛迪研究院等研究咨询机构对各地碳化硅产业投融资项目开展持续动态化跟踪，重点围绕项目的科学性、合理性、可持续性、收益性等要素进行体系化评估，对评估结果较差的项目坚决制止和取缔，确保各实施项目的“规划产能”转变成“量产产能”，“预设资金”转变为“实施基金”。同时，要严格把控各地对碳化硅项目的投融资宣传，进一步加大对夸张宣传、不实宣传的打击力度并建立一定问责机制，防止资本过度炒作或低端产线重复建设 破坏产业生态。

三是亟须建立非营利性质战略研究机构加快技术迭代和前瞻技术研发。一方面，鼓励企业成立联合技术迭代中心，合力加快对衬底量产工艺条件的研发和优化，提高大尺寸衬底的量产效率。另一方面，效仿比利时微电子研究中心（IMEC）、德国Fraunhofer研究所等建立具有中国特色的非营利性质国家战略研究机构，将车规级、电网级碳化硅衬底以及碳化硅新器件、新结构等关键核心技术纳入长期研究范畴，联合国家实验室、高校、科研院所、企业开展资源共享和技术攻关，缓解企业盈利压力和研究机构的资金压力，形成良性互动的产业发展局面，推动现有技术加速迭代和前沿技术超前布局。

作者：解楠，毕业于北京大学凝聚态物理专业，博士研究生学历，曾长期从事宽禁带半导体技术研发，多次参加国际重要半导体学术会议并获邀做口头报告。现任职于中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所，从事宽禁带半导体、传感器、汽车芯片等领域产业研究

来源：高科技与产业化