以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体市场正在蓬勃发展。随着5G、电动汽车等新兴市场出现,SiC和GaN不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速;随着制备技术的进步,SiC与GaN器件与模块在需求拉动下,叠加成本降低,SiC和GaN将迎来高光时代。

 

IDM强化SiC业务,带头大哥Cree蜕变

2021年3月1日,科锐(Cree)宣布完成出售LED产品事业部门,加上2019年5月完成照明业务出售交易,至此Cree完全蜕变成一家以宽禁带半导体SiC(SiC on SiC,功率器件)和GaN(GaN on SiC,射频器件 )产品为主的公司,主要业务包括出售衬底、外延片、功率或射频器件产品,并且提供氮化镓射频器件代工业务,囊括了宽禁带半导体的所有环节。此外,公司还宣布,将在2021年底正式更名“疾狼(Wolfspeed)”。 

 

 

1987年成立的Cree在SiC和GaN上创造了多个业界第一:1991年发布了世界上第一个商业化的SiC晶圆;1998年推出业界首个基于SiC基GaN的HEMT产品;2000年首次展示了具有创纪录功率密度的GaN MMIC产品;2002年发布600V商用SiC JBS(肖特基二极管);2011年推出业界首款SiC MOSFET;2017年推出业界首个1700V SiC半桥模块,并发布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片。

 

2019年5月,Cree宣布将在5年内投资10亿美元用于在美国扩大SiC和GaN产能,包括投资4.5亿美元在纽约州Marcy建造一座8英寸晶圆工厂(North Fab),同时投资4.5亿美元在总部北卡罗莱纳州达勒姆市(Durham)改扩建6英寸晶圆和衬底材料工厂为超级衬底材料工厂,另外1亿美元用于流动资金。同年10月宣布在纽约州立理工学院奥尔巴尼分校成功完成了首批8英寸SiC晶圆样品的制备。

 

Cree位于纽约Marcy的8英寸SiC晶圆工厂已于2020年2月开工,2021年4月设备开始搬入,预计将在2022年启用生产。FAB空间458000平方英尺,其中洁净室空间为135000平方英尺。到2024年满产时,将达到2017年产能的30倍,同时产品要符合车规级。 

 

Cree的雄心计划:2024年8英寸SiC晶圆工厂规划达产; 2024年SiC和GaN器件产品业务占比将超过材料业务占比;2024年营收15亿美元,EBIT3.75亿元的经营目标。  

 

新的8英寸SiC晶圆工厂

 

Infineon提供全方位产品组合

英飞凌(Infineon)布局SiC多年,早在1992年Infineon的前身西门子半导体部门就开始研究SiC;1998年开始2英寸SiC生产;2001年SiC二极管上市;2006年推出首款SiC混合模块2007年开始3英寸SiC生产;2009年推出首个SiC高压模块;2010年开始4英寸SiC生产;2014年发布SiC结型场效应管(JFET);2015年开始向6英寸转换;2016年推出CoolSiC MOSFET,并迅速由太阳能市场进入工业应用、汽车市场。

 

 

2018年,英飞凌收购了碳化硅晶圆切割领域的新锐公司Siltectra,据悉Siltectra的冷切割技术(Cold Spilt)相比传统工艺将提高90%的生产效率。2020年11月13日,Infineon与GT Advanced Technologies(GTAT)签署五年期SiC晶棒供货协议。

 

STM解决材料困扰

1996年意法半导体(STM)就开始进军SiC市场,一直和SiC衬底和外延片制造商合作,2004年推出公司第一个SiC二极管,2009年推出首个SiC MOSFET,随后进入车规级市场。2016年开始采用6英寸SiC外延片。

 

为了让SiC的供应链变得更加稳健,意法半导体(STM)除签署长期供应协议后,还进行了并购。

 

2019年1月,意法半导体(STM)和Cree签署一项多年期协议,在此期间,意法半导体可获得价值2.5亿美元6英寸SiC衬底和外延片。

 

2019年12月,意法半导体(STM)以1.375亿美元现金完成收购瑞典SiC衬底和外延片制造商Norstel AB,Norstel将被完全整合到意法半导体(STM)的全球研发和制造业务中,继续发展6英寸碳化硅衬底和外延片生产业务、研发6英寸碳化硅衬底和外延片以及更广泛的宽禁带材料。

 

意法半导体(STM)表示公司大力发展碳化硅(SiC)业务,并将其作为战略和收入的关键部分的计划。

 

Rohm积极投资扩产

2000年罗姆(Rohm)就已经开始研究SiC,直到2009年通过收购德国SiC衬底和外延片供应商SiCrystal,真正有了实质性的进展。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,2015年率先推出沟槽型的SiC MOSFET,2017年交付6英寸SBD。20年的时间,罗姆(Rohm)生产的SiC也从2英寸逐渐发展到6英寸SiC-SBD。

 

罗姆(Rohm)近年加大在SiC的投资,计划到2025年投资850亿日元,预计产能到2025年将达到16倍。

 

2021年1月罗姆(Rohm)福冈筑后工厂新厂房竣工,将逐步开始安装生产设备,并建立可满足SiC功率元器件中长期增长需求的生产系统,预计将于2022年投产。

 

代工厂纷纷加码SiC

对SiC代工公司和以及碳化硅FABLESS来说,要想在市场上取得显著的进展并不容易在SiC市场上,IDM(集成器件制造商)占据主导地位,科锐(Cree)、英飞凌(Infineon)、罗姆(Rohm)和意法半导体(STM)等是他们的强劲对手,这些友商都拥有自己的晶圆制造厂。

 

SiC代工业务刚刚起步,但SiC代工厂希望能够复制成功的硅代工厂的模式。德国X-Fab、英国Clas-SiC(6英寸)、韩国YES POWERTECHNIX(YPT)以及中国的台湾汉磊(Episil)、厦门三安(SANAN)、芜湖启迪(TUS SEMI)都希望从中分到一杯羹。

 

德国X-Fab

德国X-Fab已经在其位于美国德克萨斯州拉伯克(Lubbock)的工厂提供SiC代工服务,2020年启动了SiC内部外延生产线,客户增至23个,tape outs数量从106增至216个,有8个客户在进行生产,4个客户采用X-Fab提供的外延片。2020年SiC营收为2100万美元,较2019年营收2320万美元下滑10%,但产量增长了26%。据X-FAB表示,营收下滑是由于原有客户开始自行提供外延片导致。

 

汉磊(Episil)

2021年4月29日,汉磊(Episil)宣布将投资50亿新台币(约11.6亿人民币),全力发展氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)外延和器件代工。

 

汉磊从2015年开始为客户提供4英寸SiC 600V-1200V SBD和MOSFET代工,并在2019年开始6英寸SiC代工,其SBD/JBS平台良率超过95%。同时,汉磊还在开发1700V的SiC SBD和SiC沟槽MOSFET工艺。

 

2020年第2季已通过欧规车用VDA6.3评鉴,48V GaN也已取得Tier 1客户认证,650V GaN已有数个客户在导入。

 

2020年6月开始验证子公司嘉晶6英寸碳化硅晶圆。2020年嘉晶完成了650V的硅基GaN外延平台开发,并开发出应用于射频的SiC基GaN和硅基GaN外延产品,2020年底SiC基GaN验证完成,硅基GaN预计2021年验证完成。嘉晶已开发完成1700V与3300V SiC外延平台,3300V SiC外延平台已有日本客户完成验证。

 

其实汉磊从2009年就投入GaN代工服务。

 

厦门三安

厦门三安(SANAN)在电力电子领域,现已推出高可靠性,高功率密度的SiC功率二极管及硅基氮化镓功率器件,已完成SiC功率二极管650V到1700V布局。

 

碳化硅功率二极管及MOSFET及硅基氮化镓功率器件主要应用于新能源汽车、充电桩、光伏逆变器等电源市场,目前碳化硅二极管开拓客户182家,送样客户92家,转量产客户35家,超过30种产品已进入批量量产阶段。二极管产品已有2款产品通过车载认证,送样客户4家。在硅基氮化镓功率器件方面,完成约40家客户工程送样及系统验证,已拿到12家客户设计方案,4家进入量产阶段。

 

韩国YES POWERTECHNIX(YPT)

成立于2017年的韩国YPT专注于SiC Diode和SiC MOSFET,是韩国第一家商业化SiC公司。可以提供4英寸SiC代工服务,月产能1500片。

 

SiC材料之殇

SiC器件成本高的一大原因就是SiC衬底贵,目前,衬底成本大约是加工晶片的50%,外延片是25%,器件晶圆生产环节20%,封装测试环节5%。SiC衬底不止贵,生产工艺还复杂,与硅相比,碳化硅很难处理、研磨和锯切,挑战非常大。所以大多数企业都是从Cree、Rohm等供应商购买衬底。

 

SiC器件广泛用于光伏逆变器、工业电源和充电桩市场,再加上特斯拉等新能源汽车厂开始陆续导入SiC器件,导致SiC器件用量激增,也直接拉到SiC衬底和外延片需求量增涨。目前SiC材料产能十分紧缺,能否稳定供货是碳化硅功率产品很重要的产品属性。

 

目前Cree是全球最大的SiC衬底和外延片供应商,约占全球一半产能;罗姆(Rohm)、高意(II-VI)分列二、三位,合计占有全球35%的产能。高意(II-VI)计划将6英寸碳化硅材料的产能扩大5-10倍,同时扩大差异化8英寸材料技术批量生产;日本昭和电工(SDK)SiC衬底和外延片月产能2018年从3000片提高到2020年的月产能9000片的规模。

 

但同时Cree、Rohm、II-VI又是器件供应商,与众多客户构成了直接竞争关系,且能够通过SiC衬底和外延片的销售情况,获取客户的产品研发节奏、产能安排等核心商业信息,在市场爆发后,会让客户很受伤。

 

但由于碳化硅产业的封闭性带来的供应链壁垒一时无解。由于长晶和工艺经验的高度相关,Cree、Rohm、II-V等主流材料厂商的长晶炉都自行设计,牢牢掌控核心长晶环节的上游设备资源。新进入者需要同时解决工艺和设备的问题,难度不小。所幸的是,

 

2020年和2021年的缺芯之痛,让下游客户特别是汽车客户对上游器件厂商的稳定供货能力会更加关注,将对IDM器件厂商会有更强的偏移。于是主流器件厂商纷纷找上上游材料厂商,或并购,或签署长期供应协议。

 

中国进军SiC胜算几何

目前,在以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料研究和部署方面,美、日、欧仍处于世界领先地位。由于其未来战略意义,我国对于宽禁带半导体材料器件研发正进行针对性规划和布局,其中“十三五”国家科技创新规划中也将其作为重点突破方向。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中特别指明集成电路攻关方向:集成电路设计工具、重点装备和高纯靶材等关键材料研发,集成电路先进工艺和IGBT、MEMS等特色工艺突破,先进存储技术升级,碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展。同时很多省市也提出要大力发展宽禁带半导体。

 

首先在关键装备方面取得突破。中国电子科技集团公司第四十八研究所牵头的课题组成功研制出适用于4-6英寸SiC材料及器件制造的高温高能离子注入机(烁科中科信)、单晶生长炉、外延生长炉等关键装备,并实现初步应用。

 

第二在衬底和外延片方面取得突破。中电科材料、天科合达、山东天岳、河北同光晶体、世纪金光等厂商4英寸SiC衬底已经实现大批量产;6英寸衬底进入初步工程化准备和小批量产的阶段;8英寸衬底研发也取得了突破,2020年中电科半导体旗下山西烁科宣布8英寸碳化硅衬底片研发成功,即将进入工程化。中电科材料、瀚天天成、东莞天域等也在SiC外延片取得了更多我进展。

 

第三在器件和模块方面,中车时代、华润微电子、中电科55所、中电科13所、苏州能讯、上海瞻芯、瑞能半导体、三安集成、嘉兴斯达、扬杰科技、捷捷微电都取得不俗的成绩。中车时代6英寸SiC SBD、PiN、MOSFET得到了广泛应用;高压器件国产化方面,2020年华润微发布了第一代SiC工业级肖特基二极管(1200V、650V)系列产品。

 

虽然说宽禁带半导体器件已经发展了几十年,但是产业仍处于起步阶段,对谁来说机会都是均等的。

 

希望各地方政府和投资方踏踏实实、静下心来发展产业,不要想着捞一把就走。2020年至今,国内宣布的宽禁带半导体项目超过100个,涉及衬底、外延、器件和模块等全产链,计划投资总额超过2000亿元。

 

但现在投资方都喜欢把宽禁带半导体称为第三代半导体,向地方政府鼓吹弯道超车。在“第三代”半导体还没有成熟的今天,有人又在宣布要搞“第四代半”导体,并宣称第四代半导体在2023年要实现大爆发。