电阻炉提高了热场一致性、稳定性，不受石墨坩埚腐蚀影响，理论上温度可以控制在±0.1oC。
电阻炉温区可控性高，突破了感应炉因加热方式限制、温场调整具有局限性的问题。
电阻炉设备热场部件的国产化程度高。
电阻炉稳定性高、重复性高、有效产出时间长。
电阻加热式大尺寸碳化硅晶体生长热场设计难。
炉体超高温真空腔室动密封存在技术难题。
高温条件下多参数实时监测与高精度控制难。
石墨热场耗材一次投入大、加热器设计难、耗材成本高。
加工效率较低。碳化硅晶锭的长度较短，使用多线切割技术需要先将多个晶锭进行拼接，降低了加工效率。
材料损耗率高。加工过程中，切割线会将部分碳化硅材料削磨成碎屑从而产生锯口损失，并且高速运动会在材料表面形成粗糙切痕，导致材料损耗率高达50%。
设备及耗材寿命短。在切割时，金刚线磨损严重，切割线的使用寿命以及晶片的翘曲度都受到影响。
耗材成本高。金刚线的单位成本高于砂浆线，频繁更换易磨损的金刚线会增加加工成本。
切割时间从4-5天显著缩短至17分钟。
材料损失率大幅降低，并从原理上避免锯口损失，使晶片产出能提高44%，更适合大尺寸晶圆的切割。
省掉晶片研磨环节，节约时间、设备以及人力成本。
每片晶圆总切口损失小于100μm。
SiC晶圆的良率提高90%。
该技术大幅减少了SiC晶圆生产过程中的原材料损耗，可以提供3倍的材料，最终SiC器件产能提高近2倍，成本降低20-30%。
需要更先进的连接材料以及连接工艺来承受更高的温度变化能力（＞400oC）。
需要更短的连接路径以及更先进的连接技术以降低产品杂感来适应器件高频特性。
需要更集成的封装结构设计以及电路拓扑为了进行更好的系统热管理。
技术与商业双轮驱动，全面解析碳化硅产业链新机遇
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前言：
相较于硅，碳化硅具备禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和速度高、导热系数高等优异的物理性质。碳化硅功率器件在新能源汽车、轨道交通、光伏发电、智能电网、航空航天等领域呈现出比硅功率器件更好的耐高温、耐高压特性。随着上述应用领域的蓬勃发展，2027年全球碳化硅功率器件市场规模有望超过80亿美元，其中中国市场占比巨大。如何通过技术与商业双轮驱动使我国成为全球碳化硅产能中心，成为十分值得探索的命题。本期，高鹄资本从碳化硅全产业链出发，通过从商业层到技术层的系统剖析来详解各个产业环节的投资逻辑及创业机会，并希望借此文与行业内的投资人、企业家们共同交流、探讨。
碳化硅优异的物理性质
碳化硅器件在设计、制造、测试等方面的重点难点与硅器件存在着较大区别。
1.1 碳化硅禁带宽度是硅的3倍
碳化硅禁带宽度比硅更大，因此本征载流子浓度更低，进而可以承受更高的工作结温，这保证了碳化硅器件在高温条件下的工作稳定性，从而可以减少高温造成的器件故障现象。
1.2 碳化硅击穿场强是硅的10倍
相比于硅器件，碳化硅器件的漂移区更薄、漂移层掺杂浓度更高，因此其导通电阻更低、传导功率损耗更低，进而功率效率更高。
1.3 碳化硅电子饱和速度是硅的2倍+
电子饱和速度更高意味着碳化硅器件具有更高的切换频率。
1.4 碳化硅导热系数是硅的3倍
碳化硅具有更强的热稳定性，产生的热量更容易传输到散热器和环境中。系统冷却相关需求减少，可以明显降低设备体积和重量。
碳化硅的主要器件应用及市场规模
碳化硅衬底分为导电型和绝缘型。
通常，在导电型碳化硅片上进行N型碳化硅掺杂后，可用于制备高功率器件。碳化硅功率器件具有降低系统能耗、提升可靠性、缩小系统体积以及提升系统性能等优势，可用于新能源汽车、轨道交通、光伏发电、智能电网、航空航天等领域。
而在绝缘型碳化硅衬底表面外延氮化镓后，可用于制备射频器件，被广泛用于5G通讯、雷达、国防军工等领域。
根据中电科55所专家测算，在新能源汽车应用领域，OBC：6.6KW~11KW，碳化硅替代SJMOS，可使功率密度提升50%、系统损耗降低45%，节约了系统成本及运行成本；主驱逆变器：100KW~250KW，碳化硅替代IGBT模块，可使系统尺寸减小50%，重量减轻40%，整车续航提升5%。
在轨道交通领域，高压碳化硅MOSFET替代IGBT模块，可使体积缩小95%、损耗降低80%。
在光伏发电及储能领域，光伏储能端DC-DC转换采用碳化硅MOSFET，可获得效率高、体积小、重量轻等优势。碳化硅MOSFET在10KW~200KW家用和工业应用中具有综合性价比优势，使得逆变器效率提升至99%以上。
在电网高压变电领域，10KV-15KV高压碳化硅MOSFET替代6.5KV Si IGBT模块，可使体积缩小95%、损耗降低80%。目前，中美已展开高压输变电系统（断路器、电力电子变压器）应用验证。
根据Yole统计，到2027年，全球导电型碳化硅功率器件市场规模有望突破60亿美金，年复合增长速率约34%。半绝缘型碳化硅射频器件市场规模有望随着5G建设的加速持续增长，将从2020年的8.97亿美金增长至2026年的22.22亿美金，年复合增速约17%。
碳化硅全产业链机会分析
碳化硅器件制备主要分为衬底制备、外延、器件设计、器件制造、封测等环节。
对比碳化硅与硅的成本结构可以发现，与硅器件前道制造成本占大头不同，碳化硅的主要成本中，衬底环节成本大于外延环节和制备环节等。
从成本与市场的角度来看，碳化硅衬底成本降低40%，碳化硅市场规模将提升4倍。从供给与需求侧来看，2025年全球衬底需求量将超过300W片，而2022年全球碳化硅衬底产能仅为60~80万片，产能缺口达5倍左右。二六、罗姆、意法半导体、英飞凌、安森美等海外企业已经进入到了扩产阶段。
我国和国外企业相比，在衬底、外延、器件设计及制造、封装等领域均有一定差距，直接导致了我国碳化硅的生态明显弱于国外。
3.1 衬底环节：产业链价值最高点，拉晶和切割环节亟待突破
碳化硅衬底是碳化硅器件价值链中占比最大的一环，具体来看，衬底制备又分为碳化硅粉体合成、籽晶形成、拉晶、切磨抛、清洗和检测。本文以最关键的拉晶和切磨抛环节作为重点论述。
3.1.1 碳化硅拉晶
从物理性质来看，碳化硅比硅拉晶更为困难。首先，由于碳化硅的熔点2830°C远大于硅的熔点1417°C，碳化硅拉晶的温度场及压力场控制难度远高于硅。其次，硅的晶型仅有1种稳定相，而碳化硅的晶型种类多于200种，且只有少数晶型才能作为理想的半导体器件衬底材料。最后，由于硅的堆垛层次能为60mJ/m2，明显高于碳化硅的14mJ/m2，碳化硅的位错类缺陷相较于硅很难消除。同时，碳化硅的拉晶速度仅约为硅拉晶速度的1/800。
碳化硅晶锭的制备方法分为物理气相沉积、高温化学气相沉积、液相外延法。
高温化学气相沉积法制备碳化硅衬底，拥有生长速率快、气相组分可控、材料源可以持续补充、单炉效率高、纯度高、便于电学调控等优势，但是设备昂贵、成本较高，同时生长难以控制，要同时考虑温度场与气流场。
液相外延法生长碳化硅晶体，由于近平衡状态生长，可以获得低缺陷密度的碳化硅单晶，且液相法长晶易于观测，可实现扩径和位错转换。P型单晶易于重掺杂、电阻低，生长晶体应力低，可以大幅降低生长温度，拥有生产成本低的优势。但在高温下放置，液态硅挥发非常困难，并且碳在硅溶液中的溶解度极低，通常需要添加Ni、Ti、Cr等金属助溶剂增加碳的溶解度，而助溶剂易引发器件工作区域易受金属污染、硅及助溶剂高压蒸汽腐蚀石墨件等问题。
目前商业化最成熟的还是物理气相传输法，也是实现产业化大规模生产的方法。其优点是设备成本低、结构简单、技术成熟度和耗材成本相对较低，缺点是原料不能连续供给、生长厚度有限、缺陷密度高。
饱和蒸汽压（与温度场、气压场相关）是物理气相传输法制备碳化硅衬底最重要的控制参数。饱和蒸汽压的控制难点在于：一方面，在各尺度都有相应的控制参数，需要级联工艺设计（如宏观控制的转动与气流场控制、中观的涡流场和界面稳定性控制、微观的界面附近浓度脉动及缺陷形成控制）；另一方面，涉及到跨尺度的变量，如流场浓度的控制（需宏观加热器及保温材料等控制、外部气流控制、界面过冷控制）。
物理气相传输法的炉子又分为电感炉和电阻炉。感应加热的方式径向温度梯度大，目前晶体厚度普遍小于25mm，不利于8英寸晶体生长。而电阻加热的方式可以通过加热器和保温结构的配置，易于实现径向梯度小、轴向梯度大的生长区，使原料区温度梯度更小，利于8英寸晶体生长。因此，在大尺寸长晶的趋势下，电阻炉相较于电感炉是更合适的一种设备。
具体来看：
但是电阻炉相较于电感炉制备难度更大：
因此，具备8英寸电阻炉设备开发能力的创业公司十分值得关注。
3.1.2 碳化硅切割
碳化硅主流的切割方式分为砂浆线切割、金刚线切割、激光切割（水导激光、激光剥离、激光冷切割）。
对于国内厂商而言，砂浆线切割技术已应用于绝大部分碳化硅衬底厂商，金刚线切割技术也成为了主流迭代方案。尽管金刚线相较于砂浆线切割优势明显，但仍存在一些问题：
而激光剥离技术及激光冷切割技术作为更领先的技术则主要应用于海外。例如日本DISCO公司就是采用激光剥离技术。激光剥离技术是将激光垂直照射碳化硅晶锭，并聚焦到碳化硅晶锭内部一定深度，使表面层改性后，从晶锭上剥离出晶片。相较于线切割技术，激光剥离技术具有以下优势：
英飞凌曾以1.24亿欧元收购了Siltectra，将激光冷切割技术应用于碳化硅晶片切割。与DISCO的激光剥离技术类似，激光冷切割技术先用激光照射晶锭形成剥落层，使碳化硅材料内部体积膨胀，从而产生拉伸应力形成一层非常窄的微裂纹，然后通过聚合物冷却步骤将微裂纹处理为一个主裂纹，最终将晶圆与剩余的晶锭分开。该技术具有以下优势：
以单个20mm的SiC晶锭为例，采用多线切割技术可生产30片350μｍ的晶圆，而采用冷切切割技术能将单片晶圆厚度减少到200μｍ，晶圆产量提高到超80片。如果再结合Cold Split背面减薄和回收残留晶圆，晶圆数量可以高达100片。综合来看，相同的SiC晶锭下，冷切切割技术可以生产三倍以上的晶圆，从而为最终器件提供足够的材料。
因此，具备激光剥离碳化硅晶锭、激光冷切割碳化硅晶锭的创业企业十分值得关注。
3.1.3 碳化硅磨抛
经过切割的碳化硅衬底需要经过粗磨、细磨、抛光等工艺才会进入到外延厂商。磨抛大致分为化学机械抛光、电化学机械抛光、化学磁流变复合抛光、常压等离子体辅助磨料抛光、光催化辅助化学机械抛光、超声辅助化学机械抛光等工艺。
国内与国外厂商在磨抛环节的差距不大，衬底的厚度一致性、面型精度、片内非均匀性、片间非均匀性、划伤、表面粗糙度等参数均可以达到规定指标。但对比国际最高碳化硅衬底水平和国内普遍衬底水平，可以发现，我国在长晶尺寸、速度、晶锭长度、单晶锭出片数等方面均与国外存在较大差距。我国需要在大尺寸、低缺陷、高速率拉晶设备和工艺，以及碳化硅高效切割方面重点突破。
3.2 外延环节：厚度、掺杂、缺陷密度为重点关注指标
碳化硅晶体生长的过程中会不可避免地产生缺陷、引入杂质，导致衬底材料的质量和性能都不够好。而外延层的生长可以消除衬底中的某些缺陷，使晶格排列整齐。
碳化硅外延层的最关键参数是厚度、掺杂浓度和缺陷情况。厚度及掺杂浓度的参数取决于器件的设计，根据器件的电压等级的不同，外延层的厚度及掺杂参数也不同。
电压越高对外延厚度和掺杂浓度均匀性要求越高，高压生产难度较大。一般低压在600V，需要的外延厚度是6μm左右；中压1200-1700伏，需要的外延厚度就是10-15μm；高压10000V以上，就需要100μm以上外延厚度。
随着电压的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难，尤其在高压领域，最重要的就是对缺陷的控制。缺陷会对碳化硅功率器件的性能和可靠性有严重影响。碳化硅晶体缺陷类型分为点缺陷（空位、反位原子）、线缺陷（微管、TSD、TED、BPD）、面缺陷（层错、晶界）、体缺陷（多型、空洞、包裹物）。其中，TSD和TED基本不影响最终的碳化硅器件的性能；而BPD会引发器件性能的退化；堆垛层错、胡萝卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷一旦出现在器件上，器件就会测试失败，导致良率降低。
3.3 设计环节：SBD已进入红海，MOSFET仍存在难点
目前国内碳化硅设计厂商IDM模式与Fabless模式并存。国内肖特基二极管与国外差距较小，已进入红海阶段，而在MOSFET领域，国内RDS on、工作电压等技术参数与国外的罗姆、英飞凌有较大差距。
目前平面型结构为主流选择，未来沟槽型器件将在高压领域应用更广泛。
平面结构SiC MOSFET厂商众多，平面结构相比沟槽结构不容易产生局部击穿问题，在1200V以下市场具备广泛应用价值，并且平面结构在制造端相对简单，满足可制造性和成本可控两方面。目前选择平面MOSFET结构厂商有Wolfspeed、意法半导体、Microsemi。
而沟槽型器件寄生电感极低、开关速度快、损耗低，器件性能相对高效。目前市场中，能够量产沟槽型SiC MOSFET的企业为罗姆的双沟槽节、英飞凌的半包沟槽和日本住友的接地双掩埋结构。对于沟槽型碳化硅器件来说，未来的技术演进方向是减小沟槽底部氧化层工作电场强度，避免专利侵权（英飞凌、意法、罗姆均有相关专利）和可控的制造成本。
3.4 制造环节：高温离子注入机及栅氧化炉为卡脖子设备
碳化硅器件制造步骤与硅器件类似，大致分为镀膜、光刻、刻蚀、离子注入及激活、减薄、退火等工序。但由于碳化硅的物理性质与硅区别较大，主制程设备及工艺不能完全迁移到碳化硅器件的制备。制约碳化硅产能的两大难点工艺为离子注入以及高质量栅氧化层的形成。
由于SiC扩散温度远高于硅，传统的热扩散在碳化硅中并不实用，掺杂时只能采用高温离子注入的方式。而较差的SiC/氧化硅界面质量会降低MOSFET反转层的迁移率，导致阈值电压不稳定，需要开发钝化技术，以提高SiC/氧化硅界面质量。因此具备高温离子注入机设备及工艺开发能力、高温栅氧炉设备及工艺开发能力的创业公司是十分值得关注的。
3.5 封装环节：亟需满足高功率、高结温、高频需求
由于碳化硅器件高功率密度、高结温、高频特性要求，碳化硅器件的封装工艺相较于硅器件，需要有更多的创新：
相应的，对于封装基板、封装保护材料、芯片连接技术、封装互连技术提出了更高要求。
在解决方案层级上，氮化硅以及氮化铝的陶瓷加上金属烧结的覆铜版材料更多应用在碳化硅封装领域。与传统的氧化铝陶瓷相比，其可以带来更好的导热效果。随着碳化硅器件带来的工作温度升高，对封装保护材料的需求提高到耐温175oC，甚至230oC以上。更耐高温的树脂材料以及硅胶材料更适用。烧结技术带来的致密的连接层以及纯金属的连接更多的应用。低杂感的连接技术得以更多应用。
高鹄的赛道投资建议
预计到2027年，碳化硅相关市场有望超过80亿美金。从技术方面看，在部分高端或特殊应用领域，当技术指标固定、硅器件应用无法满足技术指标时，碳化硅可以解决技术上的痛点，具体指标如效率、体积、重量、功率密度等。从商业方面看，碳化硅产业呈现众多分歧，包括长期系统成本与单一成本的分歧、氮化镓/氧化镓功率器件的技术进步对碳化硅产业链的冲击、以及多制造环节的自主可控等。但高鹄资本认为随着未来长期碳化硅衬底价格下降，碳化硅器件的接受度和渗透率将继续提升，短期分歧不改行业长期成长。
高鹄资本从全产业链出发，筛选了碳化硅产业链的重点难点，形成下述关键投资建议：
1、碳化硅衬底占据价值链的最高点，其中，拉晶以及碳化硅切割环节技术壁垒最高。具备8英寸拉晶设备自研能力，尤其是电阻炉设备整机或核心温度场调控研发能力的企业值得关注。水导激光切割碳化硅晶锭、激光剥离碳化硅晶锭、激光冷切割碳化硅晶锭可以有效提高碳化硅的出片率、降低切割时间、降低衬底厚度，具备相关自研能力的企业值得关注。
2、碳化硅外延层质量直接决定了器件质量，具备MOCVD外研设备自研能力的企业值得关注。
3、碳化硅SBD器件已经进入红海阶段，碳化硅MOSFET在OBC、DC-DC领域逐渐放量，主驱领域应用的器件技术壁垒最高，鲜少有国内企业制备的器件性能指标能满足要求。沟槽型器件结构在成本和性能上都更有优势，但国外企业的专利壁垒是国内沟槽MOSFET突破难点。对于沟槽型碳化硅器件来说，未来的技术演进方向是减小沟槽底部氧化层工作电场强度、避免专利侵权和保证制造成本可控。相应的，具备沟槽MOSFET设计核心技术、高量产良率的公司值得关注。
4、碳化硅制造环节的设备及工艺无法直接从硅器件制备的经验中迁移过来，其中，高温离子注入机为制约产能的主要设备，具备相关自研能力的公司值得关注。
5、由于碳化硅器件高功率密度、高结温、高频特性要求，碳化硅器件的封装工艺相较于硅器件，对封装基板、封装保护材料、芯片连接技术、封装互连技术提出了更高要求，也对相应创业企业提出更高挑战。相应的，具备新型陶瓷基板封装技术、低杂感的连接技术的创业企业值得关注。
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本文作者
高鹄资本投资经理 孙爽
主要负责高鹄资本在半导体领域的融资交易。孙爽女士毕业于北京大学集成电路学院，获博士学位，师从黄如院士。研究课题包含太阳能电池、 sub 3nm节点芯片关键工艺研究、存算一体芯片器件研究、AI芯片器件优化、感存算一体芯片栅电极研究、共计发表文章十余篇。涉及到从材料层、工艺层、器件层、设备层、EDA软件层的科研工作，完成近200步实验室级FinFET demo，合计一作发表SCI EI文章6篇。
高鹄资本半导体团队
