SiC 是半导体领域最具成长力的材料,预计到 2028 年市场增长 5 倍。

 

来源:ST

 

SiC 目前有两大应用市场,一是电动车逆变器、充电桩、太阳能发电、直流电网中取代硅基 IGBT,二是以 SiC 基板(Substrate,大陆多称之为衬底,也有称之为 blankraw wafer,空白晶圆)承载 GaN 做 5G 基地台的 RF 功率放大。

 

 

SiC 和 GaN 都是市场备受瞩目的第三代半导体材料,第一代是硅,第二代则是砷化镓。第三代又称宽带隙半导体。其最主要应用就是功率电子领域,功率半导体两个最重要参数,一个是电子的迁移速率即速度 / 电流,另一个是能隙,其决定了半导体的崩溃电场,即最高承受电压。


     
SiC 和 GaN 能隙是硅的三倍多,崩溃电场是硅的近 10 倍。功率元件通常都做开关电源用,需要低导通电阻和大电流,大功率电力系统为提高转换功率需要尽量提高电压,而电压=电场 x 距离。相同电压下,SiC 和 GaN 可以减少大约十倍的操作距离,距离为电阻成正比,即导通电阻很低。因此相对硅基半导体 SiC 和 GaN 可以大幅度提高电力系统效率。

 


来源:YOLE

 

SiC 功率系统产业链,最上游的基板到器件设计,然后是外延片,再后是芯片处理也就是晶圆代工,然后是封测,最后是系统。

 

此外,要说一下 GaN,GaN 没有安身立命的场所,它必须依附在某种基板上,通常有三种基板:一是蓝宝石,蓝宝石基板加 GaN 就是蓝光或白光 LED,这在 20 年前已经由日本厂家发明;二是 SiC 基板,就是 5G 基站的射频放大器,此外大功率军用雷达也是典型应用;三是硅基板,就是普通的功率元件,特别适合用在手机快充领域的功率元件。  

 

与硅基半导体不同,SiC 产业链多了外延片 Epitaxy 这个环节,台湾称之为磊晶,也有称之为长晶。Epitaxy 来自希腊文,epi 代表在上方,而 taxy 指规则排列。之所以有这个工序是为了制造一层单晶机构,发挥复合半导体最大效能,它厚度很薄,大约是一个分子或原子的高度,通常有三种工艺,液相磊晶、气相磊晶(再分为化学气相和物理气相)和分子束磊晶。

 


来源:英飞凌

 

SiC MOSFET 的成本结构,超过一半来自基板,磊晶占的比例很低。

 

基板是 SiC 元件最关键的原材料,也是最具技术含量和含金量的领域,SiC 元件成本中,基板至少占一半,车载领域对散热要求高,因此所占成本更高,达 65%。就 6 英寸晶圆来说 SiC 基板价格为 900-1200 美元,是硅的 50 倍。

 

实际 SiC 比硅出现的更早,早在 1890 年就已经出现,但一直难于突破量产瓶颈。SiC 单晶生长温度高达 2600℃,比硅基高 1000°,且碳化硅只有“固 - 气”二相,相比于第一代、第二代半导体的“固 - 液 - 气”三相,控制起来要困难得多,没有相关技术进行参考借鉴。加上 SiC 的单晶结构差不多有 200 余种同分异构体,很多的晶型间的自由能差异非常小,需要几十年的时间来摸索最合适的工艺,这些都给其单晶的产业化生长制备带来了很大的挑战。

 

冷战时代,SiC 材料是洲际导弹弹头涂敷材料,美苏都大力发展 SiC 材料制造工艺,最终用在电动车上。俄罗斯圣彼得堡工业大学是全球 SiC 单晶成长技术的发源地,其后辗转进入了瑞典 AMDS。

 

 

基板领域,Cree 是绝对霸主,市场占有率超过 60%,车载领域超过 80%。Cree 在 SiC 基板领域研发超过 35 年,主要技术来源实际是北卡莱罗纳大学即 NCSU,1987 年 NCSU 的研究生约翰·帕尔默(John Palmour)发明专利,即 SiC 基 MOSFET 晶体管的发明,同年,约翰·帕尔默在 NCSU 的三角研究园创立 Cree。但 SiC 基板一直无法突破,直到 2006 年 Cree 收购 INTRINSIC Semiconductor,而这家公司则收购了瑞典 AMDS 和 Bandgap Technologies 公司。最终历经 30 年研究,在 2011 年发布全球首个 SiC MOSFET 功率器件,然后依靠 SiC 基板技术,大力发展 LED。

 

2015 年 9 月,Cree 公司将旗下功率和射频部门(Power & RF)分拆为独立的“Wolfspeed”公司。英飞凌试图收购该公司,被美国政府以牵涉国家安全为理由拒绝。

 

 

2019 年,Cree 成为大众汽车集团 FAST(Future Automotive Supply Tracks,未来汽车供应链)项目 SiC 独家合作伙伴。

 

 

Cree 的产能已被下游大客户买断,主要客户包括 ST、英飞凌、安森美。需要指出,ST 不仅签署了超 5 亿美元的 SiC 基板购买合同,同时也以 1.375 亿美元现金收购了瑞典 SiC 晶圆制造商 Norstel AB。

 

II-VI 主要致力于 SiC-GaN,即射频领域。SiCrystal 是日本 SiC 第一大厂罗姆的子公司,SiCrystal 于 2009 年被罗姆低价收购。早在 1999 年,罗姆就开始聚焦 SiC,最初的 SiC MOSFET 开发始于 2002 年,初始样品于 2005 年出货。随后 2007 年试制了 300A MOSFET,并于 2008 年发布了沟槽式器件。

 

2009 年 Rohm 收购了 SiC 晶圆供应商 SiCrystal,随后在 2010 年推出首批批量生产的 SiC 肖特基二极管和 MOSFET,2012 年批量生产全 SiC 模块,2017 年交付了 6 英寸 SBD。SiCrystal 是罗姆成为 ST 意法半导体之外最大的 SiC 元件大厂的主要原因,2020 年初 SiCrystal 与 ST 签署了 1.2 亿美元的供货大单。SiCrystal 也是中国 SiC 设计公司最多采购的供应商。

 

中国碳化硅材料供应商有山东天岳。2019 年中期,华为旗下的哈勃科技投资了以碳化硅为主要业务的山东天岳公司,并占股 10%。早在 2008 年 6 月 4 日,山东天岳公司团队就提供了一项名为“用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法”的发明专利(申请号:200810016665.6)。

 

SiC 磊晶领域所占价值很低,主要厂家是台湾的嘉晶电子和昭和电工。国际大厂 IQE、IET,台湾联亚、全新光电也有能力,但目前他们主要还是集中在市场更大的手机 PA 和 VCSEL 领域。

 

晶圆代工领域,SiC 功率器件厂家基本上都自己拥有晶圆厂,不会委外代工。实际不止 SiC 功率器件领域内如此,所有硅基功率器件领域内也是如此。主要是考虑到成本控制问题,自有晶圆厂产品才能有竞争力。当然,中国大陆厂家是能外包的都外包,降低固定资产投入。

 

目前 SiC 功率器件晶圆代工领域恐只有台湾汉磊一家,汉磊是累积了 8 年经验才开始从事 SiC 功率器件晶圆代工。环宇、嘉晶也有能力,但对此都缺乏兴趣。汉磊几乎是唯一选择。汉磊的主力也不在此,毕竟市场太小了,基于 SiC 的 GaN 晶圆代工才是焦点,因为难度极高,一般厂家做不来,只有多年从事复合半导体晶圆代工的厂家才行。台湾有全球前三大复合半导体晶圆代工厂,稳懋、宏捷科、全新光电合计市场占有率超 90%,比硅晶圆代工市场集中度更高。

 

 

下游 SiC 元件领域,ST 占据绝对霸主地位,市场占有率超过 50%,目前 ST 接获的 68 个项目中工业和汽车领域各占一半。特斯拉是 ST 独家供应,比亚迪也在使用 ST 的 SiC MOSFET。除 ST 外,英飞凌和罗姆占了大约 40%的市场。安森美在 SiC 二极管领域也有一席之地。

 

来源:YOLE

 

现代和雷诺可能会是罗姆的大客户,罗姆通过大陆汽车动力总成事业群分拆的 Vitesco 供应给现代和雷诺,此外 PSA-FCA 电驱动轴也是 Vitesco 主要客户。丰田则由电装供应。大众、奥迪和奔驰未来可能由英飞凌供应。这中间都需要通过电驱动轴厂家配合。中国宇通则是采用常州斯达半导体的 SiC MOSFET 1200V,由 Cree 提供成品晶圆,斯达半导体只做封装测试。

 


中国 SiC 产业链