全世界最“纯”的第三代半导体，是怎样炼成的？

晶越半导体创始人高冰，在创业初期，一步步把这样一支“杂牌军”带成“正规军”，在短短3年的时间里，攻克了一系列“卡脖子”难题，成功研发出高纯碳化硅原料，纯度达到了“7个九”（99.99999%），相比之下，行业的普遍纯度只有“6个九”；碳化硅晶体的总位错缺陷密度批量控制到了1000个/cm2以下，其中螺位错缺陷密度控制到5个/cm2以下，基面位错缺陷密度控制到50个/cm2以下；高纯碳粉的纯度达到99.9999%以上。如今，晶越半导体已经成为中国第三代半导体的领军企业之一，公司也申请了博士后工作站，陆续有国内外的博士人才加入队伍。

高冰堪称第三代半导体浪潮中的“深度玩家”。在创立晶越半导体之前，他是一位拥有广泛国际视野的专业学者，曾先后于日本九州大学、挪威科技工业研究院和武汉大学进行研究教学。在科研中，有感于中国在碳化硅领域面临的技术封锁，他在3年前创立了晶越半导体。

在【泉果无限对话】的分享开始之前，高冰帮大家校准了对于第三代半导体的认知，并简单回顾了前两代半导体的历程。

以下是高冰演讲全文精选：

大家普遍认为碳化硅是第三代半导体，但这种说法不太精确，应该称为宽带隙半导体。它与第一代和第二代不是取代关系，而是互补关系，是半导体材料在高功率和高频率应用领域内的一个重要拓展。

第一代半导体是硅和锗，主要用于低压、低频、中功率的晶体管和光电探测器。硅基半导体的出现使得集成电路的大规模发展成为可能。

第二代半导体是砷化镓和磷化铟，被用于制作毫米波器件、发光器件、通讯设备、卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等，由于它们的电子迁移率较高，因此特别适合用于通讯。但是，它们的明显缺点是含有毒素，如砷和磷，这对环境造成较大污染，因此这些材料的使用正逐渐减少。

第三代半导体包括碳化硅、氮化镓、氮化铝、金刚石和氧化锌。通常，碳化硅和氮化镓被视为第三代，氮化铝被视为3.5代，金刚石和氧化锌被视为第四代。它们主要用于高温、高频、抗辐射和大功率器件。

人类发展不可避免地伴随着能源的大规模利用，相比硅而言，碳化硅等材料因其能够承受高功率和高温度而变得非常有用。这些材料还能够制作蓝、绿、紫光二极管和半导体激光器，具有快速的电子迁移率，带隙比较宽，使它们能够承受更高的电压，适用于高频和高温环境，不容易被击穿。

作为第三代半导体的主要材料，碳化硅（SiC）晶片在电动汽车、5G通信、航天航空等领域都有广阔的应用前景，这方面的研发也因此成为国际半导体领域的兵家必争之地。2018年，特斯拉就作为全球首家车企，开始在Model 3车型上大范围使用碳化硅器件。

高冰主要观点概述：

【1】这两年创办企业的过程中，让我深刻感受到，中国人非常勤奋，一旦突破，就会迅速的发展壮大，导致供需平衡被打破的频率越来越快。

【2】中国已具备独立发展碳化硅产业链的所有资源，碳化硅产业链将逐渐由以欧美日为主导转向以中国为主导。

【3】我坚信，人才的培养需要时间，不能拔苗助长。我们坚持自我培养，不从其他公司挖人。虽然这个过程看起来很慢，但它会越走越快。

【4】很多人重“理”轻“工”，我之前在大学里也觉得理论最重要，但办企业的时候发现，工艺才是最重要的。因为原理大家都清楚，但如何能做到稳定生产且良率高，这是一个需要长期摸索、多年沉淀的过程。

【5】做工艺要能坐冷板凳，能耐得住寂寞。我常在公司里讲，我们不求三年五年成为全国老大，我们只要把一件事做好、做到极致，最终一定会脱颖而出。

【6】2024年碳化硅产业链的投资有所回落，但这是暂时的，是螺旋性周期演化的一个特定阶段。因为人类的发展与能源的大规模利用密切相关，而碳化硅又是高能量密度利用的一个最佳材料，这个世界最终一定是向着高电压、高电流、高功率方向发展的。

01
【缘起】
碳化硅研究能综合运用我的所有知识

我从博士、博士后到教授，在国外也待了将近十多年。然后回到武汉大学当教授当了五年，后来创立了晶越半导体这家公司。

跟在学校相比，做企业是有压力的。因为要养这么多人，所以一定要赚钱。我最开始的时候，一心就想着要把生产线建立起来。后来发现，产线建成之后，能赚钱才是最重要的。必须要有自己的成本优势和技术优势，让产品被用户认可，否则很容易会被市场淘汰。

另外，能带领一个团队发展壮大，看着他们逐渐成为这个领域的专家，也让我乐在其中。即使现在有的人可能成了我的竞争对手，但能看到大家成长也是很让我高兴的。

其实，最初选择碳化硅这个领域也是机缘巧合，因为它跟我最初的专业领域跨度很大。

我的本科学的是农业机械设计与制造，主要研究收割机、插秧机等。后来研究生在中科院研究流体力学，然后到韩国研究航空工程，涉及飞机模拟。之后到日本去读博士后，研究材料和晶体。我是到了才发现，这个方向跟原来所学的都不一样，而且变动很大，相当于是从力学转到了材料学。

最开始的时候，我自己对这个专业转变有些困惑和不适应。但随着研究的深入，我逐渐发现了自己对这个领域的兴趣。

这是因为碳化硅的研究，需要综合运用我之前学习的所有知识，包括力学、传热学、机械学、计算机模拟仿真等等，所以自己在这个方向上比很多人更容易上手。两年后，我就从博士后直接晋升为副教授，而一般是要先当助理教授，两到三年后再升到副教授的。

我当时的导师叫柿本浩一，是国际晶体生长协会的的主席，国际声望很高。他最大的优点是，他对金钱没有太多追求，一门心思专注研究。你能感觉到，他只要一谈起研究就特别有能量，尤其对创造性的新想法充满了激情。在他的感染下，我逐渐也对研究产生了更浓厚的兴趣。而且我发现涉及到晶体和材料生长的领域，解决问题的能力特别重要。

在我去日本的第二年，我解决了工业应用领域的一些重大难题，因此也获得了几个国际大奖，包括日本和欧洲的奖项。攻克难题本身也是我的兴趣所在。

【机遇】

为了利用碳化硅，人们必须在人为高温、高真空环境中去合成，让无序的硅原子和碳原子按一定规则排列，所以大家会听到碳化硅的“生长”工艺。

碳化硅（SiC）：俗称“金刚砂”，无色晶体，硬度次于金刚石。最早的人造碳化硅，是1891年在制作人造钻石的过程中意外发现的。

跟硅（Si）材料相比，碳化硅（SiC）具有如下优质属性（见下图），非常适用于高温、高频、大功率器件。比如碳化硅具有非常低的开关损耗，在用于直流与交流的高频转换的逆变器中，就可以极大地节省能源。

碳化硅的应用主要集中在对功率要求较高的领域，比如电动汽车、轨道交通、5G通信基站，白色家电、以及光伏储能的逆变器和智能电网的远距离电力输出。碳化硅在降低能耗，节能减排方面非常突出，例如在高铁和电动车上能节省超过20%的能源，在家用电器上节省50%，并且提高风能存储效率20%等。

目前公认使用碳化硅器件最大的市场，是电动汽车电驱系统，它可以让体积节省40%，重量减轻30%，同时效率提高10%，相对硅基晶体管的优势很大。

我们选定了衬底作为创业方向，因为衬底的技术壁垒高，国内的产能缺口大，而且价值高，通常在一个半导体器件中，衬底的价值能占到总体价值的50%。

衬底（Substrate）处在碳化硅产业链的上游，它是所有半导体芯片的底层材料，主要起到物理支撑、导热及导电作用。全部后续工艺比如外延等，只能在衬底之上进行，所以一块好的衬底材料，是之后实施各种纷繁复杂半导体工艺的基石。下图中间部分，即为排列的多块碳化硅衬底。

以下为碳化硅的产业链，目前中国产业链比较完整，从生产设备、衬底、外延、到设计、制造、封装和应用都有发展。当前面临的“卡脖子”挑战的主要是单晶生长和晶圆制造。

2020年至2022年，国内碳化硅市场的复合年增长率达到了40%，这在疫情期间是一个不错的成绩。民用市场规模达到了135亿，但相对于全球市场而言，这个规模还是较小的。目前，碳化硅市场主要由欧美和日本主导，其中欧洲的器件制造业非常发达，新能源汽车中90%以上的碳化硅器件由意大利的意法半导体（STMicroelectronics）提供的。

在碳化硅产业的发展中，我以前在大学里，总觉得理论最重要，会重“理”轻“工”。但实际上我办企业的时候发现，工艺是最重要的。因为即使原理大家都清楚，但如何做到稳定生产且良率高，是一个需要长期摸索过程。

比如碳化硅企业最重要的一个技术指标，就是“良率”。良率指合格的产品数量与生产出的总数的比率。良率既是一个技术问题，也是一个管理问题。

首先提高良率需要对材料有很深的理解。因为晶体生长的过程中有十几个参数，假如每个参数取10个值，那就是1010那么多种可能性，而且每次试错需要大约一周半的时间。可以想象，如果是没有理论指导的方向指引，那这种尝试的次数会是一个天文数字。

同时，在理论指导的基础上，也需要扎扎实实的把生产环节做好。比如我们会提日本的工匠精神，为什么他们在工艺上做的好，因为他们可能真的一辈子只做一件事，日复一日，反复研磨。

所以做工艺要能坐冷板凳，要能耐得住寂寞。我常在公司里说：“我们不求三年五年成为全国老大。我们只要把一件事做好、做到极致，最终一定会脱颖而出。”

我们公司最开始在嵊州落户，是绍兴市下面的一个县级市，是个山区，坐车要走一个小时的山路才能到县城。那里招一个本科生都很难，更不用说研究生了。

刚开始，把人聚起来不容易，所以只要来我们公司，我们都欢迎。第一批的员工学历并不高，但我们是高科技行业，这很矛盾。因为做衬底这一块，很多工序的技术含量都是很高的。

怎么把这些人培养起来能干事？就只能就地取材，因材施教，矮子里拔高个，激发他们的创造性，把表现好的提拔上来。我们好几个部门的领导，都是优秀的善于思考的中专、高中生。

在解决问题时，我就鼓励他们发挥想象力，进行创造性思考。他们就会在一个小屋子里讨论，很多问题上，他们的解决方案可能比博士生想出来的还要好，成本低又有效。

比如，我们需要一种特定的胶，但当时市面上的胶水都有杂质问题，会影响良率。而如果要解决这个问题，我们得到的反馈是，可能需要千万级的投入。当时我们自己的团队就自己研发出了一种土方法，成功地滤掉了99%的杂质，既实现了工艺需求，而且成本非常低。

像这样创造性解决问题的故事，我们还有很多，关键要激发出团队的创造力。

现在，我们公司的整个产线已经建立起来了，如今的重要议题就是——各工序的良率如何保证，品质如何提升。因此，我们最近申请了博士后工作站，也招聘了一些海内外的博士。今年，人才建设会是一个主要的工作方向。一定要建立高层次人才团队，这样才有后劲。

我一直坚信，人才的培养是一个过程。

我们坚持不挖其他公司的人才，坚持自我培养。虽然这个过程看起来很慢，但它会越走越快。

因为当这个团队走过一个坑之后，你就会形成组织记忆，可以保证之后不犯同样错误。这使得我们的迭代速度更快，技术突破速度也越来越快，甚至在某些方面比美国顶尖公司的品质还要好。

培养人才需要时间，不能拔苗助长。

目前看，2024年的碳化硅产业可能会处于低迷期，这有如下几个原因：

1. 产业链的挑战。

因为下游的器件制造端发展滞后，消化能力有限，使得处于上游的衬底生产供过于求。这种供需失衡状态需要时间进行内部调节重新达到平衡。

2. 中国市场的成熟还需要时间。

参照美国四五十年的发展历程，中国的碳化硅产业开始也就是近几年的事情，仍在成长阶段。

3. 适应国际大环境。

因为中美脱钩导致衬底的出口订单下降，中国企业需要过渡和调整的时间。

但我认为，2024年的下降是暂时的，这是螺旋向上演化的一部分。因为人类的发展与能源的大规模利用密切相关，而且这个世界最终一定是向着高电压、高电流、高功率方向发展的。

目前，碳化硅的广泛应用主要受限于衬底价格太贵，但随着成本降低，尤其当碳化硅器件价格，降到硅器件的两到三倍时，会有大量硅基器件被替代，碳化硅的市场规模预计将呈现10几倍的增长。

另外，我认为未来的碳化硅产业链，将逐渐由以欧美日为主导转向以中国为主导，这是因为：

首先，未来的市场在中国。

中国政府大力扶持电动汽车产业以及新能源产业；而且电动汽车在全球已具备领先优势，这是一个很好的内驱力。

第二，中国已初步具备完整的碳化硅产业链。

从设备、衬底、外延、器件、封测、模组一应俱全，已具备快速降本的优势。

第三，中国已具备丰富的人才资源。

未来器件技术的品质和良率一定会突破，而且一旦突破，将会迅速的发展壮大。