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一文看懂SiC產業鏈

2020-12-09
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: 半導體 SiC

  SiC半導體領域最具成長力的材料,預計到2028年市場增長5倍。

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  來源:ST

  SiC目前有兩大應用市場,一是電動車逆變器、充電樁、太陽能發電、直流電網中取代硅基IGBT,二是以SiC基板(Substrate,大陸多稱之為襯底,也有稱之為blankraw wafer,空白晶圓)承載GaN做5G基地臺的RF功率放大。

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  SiC和GaN都是市場備受矚目的第三代半導體材料,第一代是硅,第二代則是砷化鎵。第三代又稱寬帶隙半導體。其最主要應用就是功率電子領域,功率半導體兩個最重要參數,一個是電子的遷移速率即速度/電流,另一個是能隙,其決定了半導體的崩潰電場,即最高承受電壓。

  SiC和GaN能隙是硅的三倍多,崩潰電場是硅的近10倍。功率元件通常都做開關電源用,需要低導通電阻和大電流,大功率電力系統為提高轉換功率需要盡量提高電壓,而電壓=電場x距離。相同電壓下,SiC和GaN可以減少大約十倍的操作距離,距離為電阻成正比,即導通電阻很低。因此相對硅基半導體SiC和GaN可以大幅度提高電力系統效率。

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  來源:YOLE

  SiC功率系統產業鏈,最上游的基板到器件設計,然后是外延片,再后是芯片處理也就是晶圓代工,然后是封測,最后是系統。

  此外,要說一下GaN,GaN沒有安身立命的場所,它必須依附在某種基板上,通常有三種基板:一是藍寶石,藍寶石基板加GaN就是藍光或白光LED,這在20年前已經由日本廠家發明;二是SiC基板,就是5G基站的射頻放大器,此外大功率軍用雷達也是典型應用;三是硅基板,就是普通的功率元件,特別適合用在手機快充領域的功率元件。

  與硅基半導體不同,SiC產業鏈多了外延片Epitaxy這個環節,臺灣稱之為磊晶,也有稱之為長晶。Epitaxy來自希臘文,epi代表在上方,而taxy指規則排列。之所以有這個工序是為了制造一層單晶機構,發揮復合半導體最大效能,它厚度很薄,大約是一個分子或原子的高度,通常有三種工藝,液相磊晶、氣相磊晶(再分為化學氣相和物理氣相)和分子束磊晶。

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  來源:英飛凌

  SiC MOSFET的成本結構,超過一半來自基板,磊晶占的比例很低。

  基板是SiC元件最關鍵的原材料,也是最具技術含量和含金量的領域,SiC元件成本中,基板至少占一半,車載領域對散熱要求高,因此所占成本更高,達65%。就6英寸晶圓來說SiC基板價格為900-1200美元,是硅的50倍。

  實際SiC比硅出現的更早,早在1890年就已經出現,但一直難于突破量產瓶頸。SiC單晶生長溫度高達2600℃,比硅基高1000°,且碳化硅只有“固-氣”二相,相比于第一代、第二代半導體的“固-液-氣”三相,控制起來要困難得多,沒有相關技術進行參考借鑒。加上SiC的單晶結構差不多有200余種同分異構體,很多的晶型間的自由能差異非常小,需要幾十年的時間來摸索最合適的工藝,這些都給其單晶的產業化生長制備帶來了很大的挑戰。

  冷戰時代,SiC材料是洲際導彈彈頭涂敷材料,美蘇都大力發展SiC材料制造工藝,最終用在電動車上。俄羅斯圣彼得堡工業大學是全球SiC單晶成長技術的發源地,其后輾轉進入了瑞典AMDS。

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  基板領域,Cree是絕對霸主,市場占有率超過60%,車載領域超過80%。Cree在SiC基板領域研發超過35年,主要技術來源實際是北卡萊羅納大學即NCSU,1987年NCSU的研究生約翰·帕爾默(John Palmour)發明專利,即SiC基MOSFET晶體管的發明,同年,約翰·帕爾默在NCSU的三角研究園創立Cree。但SiC基板一直無法突破,直到2006年Cree收購INTRINSIC Semiconductor,而這家公司則收購了瑞典AMDS和Bandgap Technologies 公司。最終歷經30年研究,在2011年發布全球首個SiC MOSFET功率器件,然后依靠SiC基板技術,大力發展LED。

  2015年9月,Cree公司將旗下功率和射頻部門(Power & RF)分拆為獨立的“Wolfspeed”公司。英飛凌試圖收購該公司,被美國政府以牽涉國家安全為理由拒絕。

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  2019年,Cree成為大眾汽車集團FAST(Future Automotive Supply Tracks,未來汽車供應鏈)項目SiC獨家合作伙伴。

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  Cree的產能已被下游大客戶買斷,主要客戶包括ST、英飛凌、安森美。需要指出,ST不僅簽署了超5億美元的SiC基板購買合同,同時也以1.375億美元現金收購了瑞典SiC晶圓制造商Norstel AB。

  II-VI主要致力于SiC-GaN,即射頻領域。SiCrystal是日本SiC第一大廠羅姆的子公司,SiCrystal于2009年被羅姆低價收購。早在1999年,羅姆就開始聚焦SiC,最初的SiC MOSFET開發始于2002年,初始樣品于2005年出貨。隨后2007年試制了300A MOSFET,并于2008年發布了溝槽式器件。

  2009年Rohm收購了SiC晶圓供應商SiCrystal,隨后在2010年推出首批批量生產的SiC肖特基二極管和MOSFET,2012年批量生產全SiC模塊,2017年交付了6英寸SBD。SiCrystal是羅姆成為ST意法半導體之外最大的SiC元件大廠的主要原因,2020年初SiCrystal與ST簽署了1.2億美元的供貨大單。SiCrystal也是中國SiC設計公司最多采購的供應商。

  中國碳化硅材料供應商有山東天岳。2019年中期,華為旗下的哈勃科技投資了以碳化硅為主要業務的山東天岳公司,并占股10%。早在2008年6月4日,山東天岳公司團隊就提供了一項名為“用于半導體單晶生長的高純碳化硅粉的人工合成方法”的發明專利(申請號:200810016665.6)。

  SiC磊晶領域所占價值很低,主要廠家是臺灣的嘉晶電子和昭和電工。國際大廠IQE、IET,臺灣聯亞、全新光電也有能力,但目前他們主要還是集中在市場更大的手機PA和VCSEL領域。

  晶圓代工領域,SiC功率器件廠家基本上都自己擁有晶圓廠,不會委外代工。實際不止SiC功率器件領域內如此,所有硅基功率器件領域內也是如此。主要是考慮到成本控制問題,自有晶圓廠產品才能有競爭力。當然,中國大陸廠家是能外包的都外包,降低固定資產投入。

  目前SiC功率器件晶圓代工領域恐只有臺灣漢磊一家,漢磊是累積了8年經驗才開始從事SiC功率器件晶圓代工。環宇、嘉晶也有能力,但對此都缺乏興趣。漢磊幾乎是唯一選擇。漢磊的主力也不在此,畢竟市場太小了,基于SiC的GaN晶圓代工才是焦點,因為難度極高,一般廠家做不來,只有多年從事復合半導體晶圓代工的廠家才行。臺灣有全球前三大復合半導體晶圓代工廠,穩懋、宏捷科、全新光電合計市場占有率超90%,比硅晶圓代工市場集中度更高。

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  下游SiC元件領域,ST占據絕對霸主地位,市場占有率超過50%,目前ST接獲的68個項目中工業和汽車領域各占一半。特斯拉是ST獨家供應,比亞迪也在使用ST的SiC MOSFET。除ST外,英飛凌和羅姆占了大約40%的市場。安森美在SiC二極管領域也有一席之地。

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  來源:YOLE

  現代和雷諾可能會是羅姆的大客戶,羅姆通過大陸汽車動力總成事業群分拆的Vitesco供應給現代和雷諾,此外PSA-FCA電驅動軸也是Vitesco主要客戶。豐田則由電裝供應。大眾、奧迪和奔馳未來可能由英飛凌供應。這中間都需要通過電驅動軸廠家配合。中國宇通則是采用常州斯達半導體的SiC MOSFET 1200V,由Cree提供成品晶圓,斯達半導體只做封裝測試。

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  中國SiC產業鏈

 

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