SiC需求增長快于供應(yīng)（內(nèi)附SiC器件主要供應(yīng)商）

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。