寬禁帶半導(dǎo)體材料越來越受行業(yè)歡迎。在碳化硅(SiC)正處于大力擴(kuò)張之時,供應(yīng)商都在努力滿足SiC功率器件和硅片市場的潛在需求。
譬如,Cree計(jì)劃投資高達(dá)10億美元來擴(kuò)張其SiC晶圓產(chǎn)能。根據(jù)該公司計(jì)劃,Cree正在創(chuàng)建世界上第一個200毫米(8英寸)SiC晶圓廠,但從目前來說,150毫米(6英寸)仍將是主流的SiC晶圓尺寸。除此以外,其它半導(dǎo)體制造商也在擴(kuò)充其150mm SiC的產(chǎn)量。
SiC突出有幾大原因。與傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體器件相比,SiC具有10倍的擊穿場強(qiáng)和3倍的導(dǎo)熱率,非常適合高壓應(yīng)用,如電源和太陽能逆變器。SiC的巨大市場機(jī)遇是電動汽車。
Wolfspeed高級電源產(chǎn)品經(jīng)理Guy Moxey曾表示,“碳化硅有著巨大的市場需求,它不僅僅體現(xiàn)在電動汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛應(yīng)用,在上游電力,清潔能源電力分配上,對于碳化硅都是一個充滿機(jī)遇的市場?!?/p>
然而現(xiàn)在,在國內(nèi)市場放緩的情況下,對SiC器件的需求略有停滯。在產(chǎn)品供給端,目前的SiC晶圓廠和產(chǎn)能也只能滿足當(dāng)前的需求。應(yīng)對潛在的SiC激增市場,國際半導(dǎo)體大廠是不是該有所表現(xiàn)呢?
因?yàn)楝F(xiàn)在不僅電動汽車使用的SiC器件數(shù)量在增多,而且在政府倡導(dǎo)環(huán)保節(jié)能的產(chǎn)業(yè)政策下,未來電動汽車的數(shù)量將大幅增加。對于SiC供應(yīng)商而言,這就意味著是潛在商機(jī),如何搶先布局是處于競爭優(yōu)勢上的重要一環(huán)。
筆者近期也注意到一些大廠在SiC晶圓上的擴(kuò)張動作。如Cree,英飛凌,羅姆等公司在150mm SiC晶圓廠產(chǎn)能上的擴(kuò)張,而且羅姆和Cree也正著手創(chuàng)建200mm SiC晶圓廠,一些半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商也在全力研發(fā)用于SiC生產(chǎn)的新設(shè)備。
什么是SiC?
據(jù)Yole稱,2017年SiC功率器件業(yè)務(wù)達(dá)到3.02億美元,比2016年增長22%。根據(jù)IHS的數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)2018年至2028年,SiC MOSFET市場將增長31%,到2028年達(dá)到12.5億美元。同期,SiC功率模塊業(yè)務(wù)將增長49%,到2028年達(dá)到18億美元。
SiC器件的主要供應(yīng)商包括:富士電機(jī),英飛凌,Littlefuse,Microchip,三菱電機(jī),安森美,意法半導(dǎo)體,羅姆,東芝和Cree旗下Wolfspeed等。
SiC功率半導(dǎo)體是市場上眾多類型的功率器件之一。功率半導(dǎo)體是專用晶體管,在系統(tǒng)中充當(dāng)開關(guān)。它們允許電源以“開”狀態(tài)流通,“關(guān)”狀態(tài)停止。這些器件可提高效率并最大限度地減少系統(tǒng)中的能量損失。
我們知道,基于硅,功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是市場上主要的功率半導(dǎo)體器件。功率MOSFET用于高達(dá)900伏的應(yīng)用。領(lǐng)先的中端功率半導(dǎo)體器件是IGBT,用于400伏至10千伏的應(yīng)用。
功率MOSFET和IGBT達(dá)到其理論極限就會有能量損耗,這促使需要一些新技術(shù),即氮化鎵(GaN)和SiC功率半導(dǎo)體。GaN和SiC都是寬禁帶產(chǎn)品,這意味著它們提供比IGBT和功率MOSFET更快的開關(guān)速度和更高的擊穿電壓。
圖:什么是電源開關(guān)?它們是如何分類的?資料來源:英飛凌
GaN和SiC的缺點(diǎn)是成本。“我們開始看到碳化硅更多地用于汽車,”TechInsights分析師Jim Hines指出?!霸谄噾?yīng)用中不僅是要考慮其技術(shù)更是看它的成本。如果SiC和其他功率器件可以更具成本效益,那么它就會成為一個逆風(fēng)。”
通常,元器件制造商銷售SiC功率MOSFET和SiC二極管,用于600伏至10千伏應(yīng)用。SiC功率MOSFET是功率開關(guān)晶體管。二極管起到單向?qū)ǖ淖饔谩?/p>
從2005年開始,該行業(yè)開始在100mm(4英寸)晶圓廠中增加SiC功率器件。然后,從2016年到2017年,SiC器件制造商完成了從100mm到150mm晶圓廠的遷移。如今,150mm是SiC的主流晶圓尺寸。
150mm晶圓廠解決了成本問題。當(dāng)轉(zhuǎn)變到新的晶圓尺寸時,每個晶圓的裸片數(shù)量將增加2.2倍。更大的晶圓尺寸降低了整體生產(chǎn)成本。而這種轉(zhuǎn)變并不容易。
目前,一些SiC供應(yīng)商仍然在努力應(yīng)對150毫米的產(chǎn)量。當(dāng)處理SiC材料時,晶片和器件中會出現(xiàn)位錯和晶格缺陷。甚至一些制造商會出現(xiàn)產(chǎn)量下降的影響。
盡管面臨挑戰(zhàn),但由于對電動汽車,電源和太陽能逆變器的需求,碳化硅器件市場在2015年左右開始升溫。2017年,當(dāng)特斯拉開始在其電動汽車中使用意法半導(dǎo)體的碳化硅功率器件用于牽引逆變器時,市場得到了推動。牽引逆變器為電動機(jī)提供牽引力以推進(jìn)車輛。
同時,其他電動汽車制造商使用更便宜的IGBT用于牽引逆變器,但特斯拉證明SiC是一種可行的解決方案。SiC功率半導(dǎo)體也用于電動車輛的其他部件,例如車載充電器。
從2015年到2018年,SiC和其他電力半導(dǎo)體處于強(qiáng)勁增長周期,導(dǎo)致市場短缺。但在2018年末,國內(nèi)和其他地區(qū)的市場降溫。目前,碳化硅市場供需保持平衡。
SiC晶圓廠,設(shè)備
需求已經(jīng)開始增長。例如,比亞迪,特斯拉等公司,意法半導(dǎo)體預(yù)計(jì)其SiC收入將翻一番,并在今年達(dá)到2億美元。
為了滿足需求,SiC供應(yīng)商正在擴(kuò)建其晶圓廠或擴(kuò)大晶圓產(chǎn)能。例如,Cree將在2024年之前將其SiC晶圓廠產(chǎn)能擴(kuò)大至30倍。它還將使其SiC材料產(chǎn)量增加30倍。
“我們繼續(xù)看好汽車和通信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域,以利用碳化硅的優(yōu)勢來推動其創(chuàng)新。然而,對碳化硅的需求早已超過現(xiàn)有供應(yīng)量,”Cree首席執(zhí)行官Gregg Lowe表示,“我們相信這將使我們能夠在未來五年及更長時間內(nèi)滿足Wolfspeed碳化硅材料和設(shè)備需求的預(yù)期增長。”
一段時間以來,Cree一直在擴(kuò)大其150毫米晶圓廠產(chǎn)能。此外,Cree正在推進(jìn)下一個200mm的SiC晶圓尺寸。根據(jù)IHS的說法,最早的200毫米SiC晶圓廠直到2022年才會投入生產(chǎn)。
與此同時,羅姆去年在新大樓內(nèi)發(fā)布了150毫米晶圓廠擴(kuò)建計(jì)劃。總的來說,羅姆將在2025年將其SiC生產(chǎn)能力提高16倍,總投資額為5.461億美元。
另一家供應(yīng)商Infineon也在生產(chǎn)其150mm晶圓的SiC器件。英飛凌高級總監(jiān)Peter Friedrichs表示?!岸唐诤椭衅?50mm就足夠了。然而,從長遠(yuǎn)來看,需要200mm來推動并降低成本?!?/p>
SiC的突然激增擴(kuò)產(chǎn)令供應(yīng)鏈端的設(shè)備商大感驚呼。多年來,設(shè)備行業(yè)一直為SiC供應(yīng)商提供服務(wù),主要是使用舊的或翻新的制造設(shè)備。
對于SiC,設(shè)備供應(yīng)商正在開發(fā)150mm和200mm的制造設(shè)備。通常,可以改裝150mm制造設(shè)備以支撐200mm。
雖然200mm SiC晶圓廠不會在一段時間內(nèi)投入生產(chǎn),但設(shè)備行業(yè)需要為它們做好準(zhǔn)備。“今天的挑戰(zhàn)是下一次向200mm SiC器件制造過渡,” Lam Research戰(zhàn)略營銷高級主管David Haynes說?!芭cIGBT技術(shù)相比,采用200mm生產(chǎn)有可能降低單位芯片價格,提高SiC解決方案的經(jīng)濟(jì)性,同時開放更先進(jìn)的工藝工具,增加工藝能力并與硅晶圓廠兼容。”
向200mm的轉(zhuǎn)變給SiC帶來了一些挑戰(zhàn)?!澳壳暗?50mm SiC襯底仍然存在一些技術(shù)缺陷,” KLA產(chǎn)品營銷經(jīng)理Mukund Raghunathan說?!伴_發(fā)200mm將會是一個行業(yè)挑戰(zhàn)?!?/p>
SiC不是一種在工廠中處理的簡單材料?!八耐该鞫群透哒凵渎适蛊涑蔀橐环N非常具有挑戰(zhàn)性的材料,用于檢查可能會影響外延生長或最終器件產(chǎn)量的表面缺陷。SiC襯底上最常見的缺陷類型包括微管,劃痕,凹坑,表面顆粒,污漬和晶體堆垛層錯,”Raghunathan說?!拔⒐苁且环N螺旋(螺旋)錯位,會影響設(shè)備性能。雖然許多SiC基板制造商已經(jīng)優(yōu)化了它們的生長過程以降低微管密度,但還是有人仍在努力解決這個問題,特別是在直徑較大的150mm晶圓上?!?/p>
幸運(yùn)的是,設(shè)備制造商已開發(fā)出用于處理SiC的檢測和計(jì)量工具。同時,一旦制成SiC晶片,襯底就被轉(zhuǎn)運(yùn)至工廠,在那里它們被加工成器件。
“無論器件是以150mm還是200mm制造,與硅相比,SiC等強(qiáng)粘接材料的加工都會帶來一些挑戰(zhàn),”Lam Haynes表示。“特別是,通過精確的輪廓控制,表面質(zhì)量和高產(chǎn)量蝕刻SiC是實(shí)現(xiàn)從平面SiC MOSFET到SiC溝槽MOSFET架構(gòu)過渡所需的關(guān)鍵因素?!?/p>
然后,在器件中的晶片上處理器件之后,將它們切割并封裝。切割過程帶來了一些挑戰(zhàn)。“碳化硅是地球上第三種最硬的復(fù)合材料,莫氏硬度為9.5,” Veeco產(chǎn)品營銷總監(jiān)Meng Lee表示?!熬A非常難以切割,因?yàn)樗鼈儙缀跖c它們切割的金剛石砂輪一樣堅(jiān)硬。這些晶圓在切割過程中也很脆,易碎,導(dǎo)致刀片快速磨損。
SiC晶圓
可以肯定的是,SiC晶圓也很重要。“對于SiC來說,要獲得硅片市場份額,SiC半導(dǎo)體器件需要降低價格。SiC設(shè)備的平均售價基本上取決于SiC晶圓的成本,而且在過去三年中這些產(chǎn)品的下降速度還不夠快,“IHS Eden分析說。
有兩種類型的SiC晶圓供應(yīng)商——垂直整合和第三方。Wolfspeed,意法半導(dǎo)體和羅姆是垂直整合的。Wolfspeed不僅為自己的功率半導(dǎo)體提供SiC晶圓,而且還將它們出售給其他人。英飛凌和意法半導(dǎo)體最近與Wolfspeed / Cree簽署了晶圓供應(yīng)協(xié)議。
羅姆銷售功率器件,并擁有內(nèi)部SiC晶圓制造單元。其次,為了獲得更多供應(yīng),意法半導(dǎo)體最近收購了Norstel(一家SiC晶圓供應(yīng)商)的大部分股份。此外,II-VI,陶氏,昭和電工,住友和其他公司成為第三方SiC晶圓供應(yīng)商。
總結(jié):簡而言之,電動汽車等高壓應(yīng)用引發(fā)了SiC短缺和價格上漲的恐慌?,F(xiàn)如今大多數(shù)SiC晶圓供應(yīng)商都在盡快擴(kuò)大其生產(chǎn)能力以滿足市場潛在需求。可以說,SiC供應(yīng)鏈正在為電動汽車和其他行業(yè)的需求浪潮做準(zhǔn)備。
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