碳化硅:从义乌小商品城的廉价珠宝到网红半导体材料

日期:2023-10-27 阅读:714
核心提示:1891年,艾奇逊(E.G.Acheson)尝试在铁锅中加热粘土(硅酸铝)和焦炭粉的混合物合成人造钻石的过程中,结果却意外在一次实验的

 1891年,艾奇逊(E.G.Acheson)尝试在铁锅中加热粘土(硅酸铝)和焦炭粉的混合物合成人造钻石的过程中,结果却意外在一次实验的熔炉反应物中发现一种硬度只比钻石小一点,火彩甚至比钻石更亮的东西,从而打开了人工合成碳化硅的大门。他将得到的蓝色晶体误认为是一种由碳和铝构成的类似刚玉的物质,故取名金刚砂。随后,他利用碳和沙子的混合物生产出更多的碳化硅。这种“Acheson”工艺经过略微改进后,至今仍在用于碳化硅磨料的生产。

1893年,诺贝尔奖获得者-亨利·莫桑(Henri.Moissan)在分析坠落到美国亚利桑那州代阿布洛峡谷的陨石碎片时发现了天然碳化硅。1905年,为了表示对他的敬意,莫桑石(Moissanite)因此得名。

莫桑石成分为100% SiC,和上述金刚砂是同一种东西。

天然莫桑石在自然界中十分稀有,只能形成于极端环境,如陨石、地幔岩石中。所以人们生活中能见到的莫桑石,基本上都是人工合成的。

人工合成的莫桑石是一种近似无色的独特宝石材料,乍看之下,莫桑石与天然钻石无法分别,甚至连普通仪器也区分不出。合成莫桑石在其诞生之初就被认为与钻石极其相像,但直到20世纪90年代合成碳化硅技术的发展,莫桑石才正式进入消费者视野。当时美国北卡罗莱州的Cree公司成功生产出彩色和近无色,大颗粒的宝石级碳化硅晶体,并由Charles&Colvard公司(前身为C3公司)加工和销售。至此,合成莫桑石投入宝石市场,并主要作为钻石的仿制品。

近些年来,随着钻石市场价位的不断升髙,合成莫桑石市场也开始不断发展壮大,而价格不断走低。2016年合成莫桑石价格居于高位,裸石价格达到每克拉近万元,因为购买方式以海外回购居多。但是随着市场需求的不断扩大,经销商的不断増多,销售方式也不再是单一的海外回购,而是有更多的经销商开始参与代理。

因此2017年与2018年合成莫桑石裸石价格开始降到每克拉7800和6500元左右。并且随着专利权的开放,国内也开始出现了自我生产销售,在2019年的时候合成莫桑石的裸石价格更是下跌到了每克拉3500-4000元左右。按近几年的价格趋势来看,合成莫桑石的裸石价格可能还会持续走低。

虽然市场的需求量随着价格的下降形成了较大的增长,但行业内各个环节的利润率和利润都被严重挤压,造成了行业满盘皆输的局面,而在消费者心中莫桑石也被贴上了“廉价假货”的标签。

莫桑石的路越走越窄,究其根本是因为没有塑造出消费者认可的价值,而只是以仿制品的身份,活在了钻石的影子下。而且,本身钻石的受众群体比较有限,何况是莫桑石,小编估计好多人之前根本没听过莫桑石。

1、碳化硅是如何火起来的?

2018年,特斯拉开始在Model 3的主驱逆变器里,使用基于碳化硅材料的碳化硅MOSFET,以替代传统的硅基IGBT。作为第一款真正走量的电动汽车,Model 3动力总成将IGBT模块全部换成碳化硅模块,同等功率等级下,碳化硅模块尺寸更小,开关损耗可降低75%,系统效率可以提高5%左右。

紧接着,比亚迪、小鹏、吉利纷纷效仿,在新款电车里换上了碳化硅芯片。自此之后,凡是使用了碳化硅芯片的车型,全都被打上了“高端”、“豪华”的标签。

各大碳化硅厂商见识到了碳化硅在新能源汽车领域的实力之后,纷纷加入研发行列。从设备到衬底片、外延片、器件,碳化硅细分产业都在快速发展。为抢占发展先机,行业内头部公司纷纷扩产“圈地”。另外要提一下,目前很多打着“碳化硅”名号混的风生水起的企业,在特斯拉用上碳化硅之前,一直是廉价珠宝的供应商。马斯克的一句话,就让一些企业从义乌小商品城最爱的莫桑钻供应商转变成为高精尖的第三代半导体企业。比如2022年,碳化硅第一股天岳先进登陆科创板,而直到2020年,天岳先进的前五大客户里有三家都是珠宝公司。目前国内碳化硅衬底产量最高的天科合达,在2020年准备上市时,公布的大客户名单里也有两家珠宝公司长期占据前五,其中一家还曾在2017年成为天科合达最大的客户。

除了新能源汽车,风光储对碳化硅的需求也在稳定增长。光伏逆变器已经开始大规模使用碳化硅器件,碳化硅的耐高压优势使得其在风能、储能领域具有广阔应用前景。此外,能源互联网、建筑能源、工业传动、消费类等领域,应用市场时刻迎接爆发。

那么,都是谁在做碳化硅?

中国。衬底方面有天岳先进、晶盛机电、露笑科技、南砂晶圆、烁科晶体、东尼电子、中电化合物等;外延方面有瀚天天成、天域半导体、百识电子、嘉晶电子、希科半导体、凤凰光学等;器件及模块方面有三安光电、世纪金光、比亚迪半导体、中电科13所、中电科55所、基本半导体、士兰微、华润微、扬杰科技、时代电气、长飞先进、斯达半导、闻泰科技、泰科天润等。

日本。衬底及外延方面有Resonac Holdings,Denso与Mitsubishi Electric则是投资了美国碳化硅厂商Coherent;器件及模块方面有Toshiba、Rohm Semiconductor、Fujielectric、Mitsubishi Electric、Renesas Electronics、Panasonic等。

韩国。衬底及外延方面有SK siltron、Senic、Arche等;器件及模块方面有LX Semicon、SKpowertech、TRinno Technology、Power Master、INTECHFA等。

美国。衬底及外延方面有Coherent、Wolfspeed、Dow Corning等;器件及模块方面有Onsemi、Wolfspeed等。

欧洲。衬底及外延方面有Soitec、SiCrystal、Norstel等;器件及模块方面有Infineon、STMicroelectronics、Bosch、Power Master等。

参考资料:

1、佟雯,《碳化硅材料在珠宝行业的应用前景》,中国电子科技集团公司第二研究所

2、孙竹琳,《合成碳硅石的宝石学特征及覆膜实验初探》,中国地质大学(北京)

3、郭升等,《培育钻石:以品牌构建价值体系的重要性》,凯丽希培育钻石

4、张樱子等,《浅谈合成碳硅石及市场发展近况》,国家珠宝玉石质量监督检验中心上海实验室

5、粉体大数据研究

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