近日，英飛凌與GT Advanced Technologies（GTAT）已經(jīng)簽署碳化硅（SiC）晶棒供貨協(xié)議，合同預(yù)期五年。英飛凌此舉無疑是看到了SiC廣闊的市場規(guī)模，據(jù)Yole預(yù)測，SiC市場規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的復(fù)合年均增長率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。其實(shí)不止英飛凌，其他SiC廠商如ST、博世、羅姆等也都看好SiC的穩(wěn)步需求，開始緊鑼密鼓的點(diǎn)兵布陣，他們或多方收購，或強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，貌似誰也不想在SiC這個(gè)飛速發(fā)展的市場中落下。在SiC廣闊的市場需求下，得SiC晶圓者得天下，顯然，SiC晶圓爭奪戰(zhàn)已然打響！

車廠逐漸導(dǎo)入，SiC晶圓供不應(yīng)求

今年6月底，美國工程材料和光電元件領(lǐng)先企業(yè)II-VI宣布與通用電氣（GE）簽署合作協(xié)議，通用電氣授權(quán)II-VI利用其專利技術(shù)進(jìn)入碳化硅功率器件和模塊制造領(lǐng)域。這意味著碳化硅革命應(yīng)在電動(dòng)車市場開啟燎原之勢。

這兩年，由于SiC獨(dú)有的優(yōu)良特性，車廠陸續(xù)開始導(dǎo)入SiC器件，這對(duì)SiC晶圓的需求量是巨大的。在此需要科普一下，碳化硅功率器件生產(chǎn)過程主要包括碳化硅單晶生產(chǎn)、外延層生產(chǎn)、器件制造三大步驟，分別對(duì)應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈的晶圓襯底、外延片、器件和模組三大環(huán)節(jié)。碳化硅上游產(chǎn)品為晶圓襯底。

早期用例，特斯拉已經(jīng)將意法半導(dǎo)體的基于SiC MOSFET的功率模塊集成到Model 3逆變器中。Model 3具有一個(gè)主逆變器，該逆變器需要24個(gè)電源模塊，每個(gè)電源模塊均基于兩個(gè)碳化硅MOSFET裸片，每輛汽車總共有48個(gè)SiC MOSFET裸片。這些MOSFET由位于意大利卡塔尼亞的意法半導(dǎo)體晶圓廠制造。除此之外，其他包括OBC、一輛車附2個(gè)一般充電器、快充電樁等，都可以放上SiC，只是SiC久缺而未快速導(dǎo)入。

另外，早在2014年5月，豐田汽車宣布通過使用SiC功率半導(dǎo)體，將混合動(dòng)力汽車的燃油效率提高10％（在日本國土交通省的JC08測試周期下），并減少了汽車的使用。與僅含Si功率半導(dǎo)體的當(dāng)前PCU相比，功率控制單元（PCU）的尺寸縮小了80％。但由于SiC晶圓（基板）不足，豐田還未采用。

據(jù)GaN世界的報(bào)道，按照這個(gè)估算若循續(xù)漸進(jìn)采用SiC后，該換的都換上SiC，平均2輛Tesla的純電動(dòng)車就需要一片6英寸SiC晶圓。當(dāng)然，這算法未得到Tesla官方證實(shí)。

業(yè)者分析，單從Tesla可創(chuàng)造的需求來看，2020年如果不是COVID-19（新冠肺炎）帶來銷售及生產(chǎn)等多重變量，Tesla第1季宣稱6月底美國工廠Model 3及Model Y的年產(chǎn)能將達(dá)50萬輛，上海廠（Gigafactory 3）計(jì)劃年底產(chǎn)能50萬輛，使其總產(chǎn)能規(guī)模近100萬輛，也就是說，Tesla一年平均約要50萬片6英寸SiC。而目前全球SiC硅晶圓總年產(chǎn)能約在40萬~60萬片，如此就消耗掉全球當(dāng)下SiC總產(chǎn)能。

即使在COVID-19及中美貿(mào)易戰(zhàn)的緊張關(guān)系下，汽車產(chǎn)業(yè)銷售受波及最明顯，然而SiC晶圓生產(chǎn)大廠的布局絲毫不減，這都是對(duì)SiC在車用市場發(fā)展?jié)摿Τ终婵捶ǖ谋憩F(xiàn)。

國際大廠爭先恐后加碼擴(kuò)產(chǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，目前全球生產(chǎn)碳化硅晶圓的廠商包括 CREE、英飛凌、羅姆半導(dǎo)體旗下 SiCrystal、II-IV、Norstel、新日鐵住金及道康寧 （Dow Corning）等。還有一些新進(jìn)者，如韓國的SK Siltron通稿收購杜邦（Dupont）SiC晶圓部門正在對(duì)該行業(yè)進(jìn)行投資；Soitec也宣布與應(yīng)用材料聯(lián)合開發(fā)下一代碳化硅襯底的開發(fā)計(jì)劃。

其中，CREE市占率高達(dá)6成之多，幾乎獨(dú)霸市場。Cree早在1991年就發(fā)布了全球首款商用SiC晶圓，并分別于2002年及2011年發(fā)布全球首款SiC JBS肖特基二極管及SiCMOS，2016年引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)入6英寸SiC晶圓時(shí)代。

2019年9月，Cree宣布計(jì)劃2019-2024年投資7.2億美元將SiC材料及晶圓產(chǎn)能擴(kuò)充30倍，包括建造一座車規(guī)級(jí)8英寸功率及射頻晶圓工廠，以及擴(kuò)產(chǎn)超級(jí)材料工廠，計(jì)劃2022年量產(chǎn)，完全達(dá)產(chǎn)后器件能夠滿足550萬輛BEV需求，襯底能夠滿足2200萬BEV需求。今年 5 月Cree更宣布，看好 5G 與電動(dòng)車后市需求，將在未來5年內(nèi)，斥資10億美元用于擴(kuò)大SiC碳化硅產(chǎn)能，在公司美國總部北卡羅萊納州達(dá)勒姆市建造一座采用最先進(jìn)技術(shù)的自動(dòng)化200mm SiC碳化硅生產(chǎn)工廠和一座材料超級(jí)工廠。

2020年10月，Cree以高達(dá)3億美元的價(jià)格出售了其LED產(chǎn)品部門給SMART Global Holdings，決定ALL in 碳化硅。Cree的產(chǎn)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，意法半導(dǎo)體在（ST）不僅簽署了超5億美元的SiC晶圓購買合同，同時(shí)也在今年2月份以1.375億美元現(xiàn)金收購了瑞典SiC晶圓制造商N(yùn)orstel AB，Norstel生產(chǎn)150mmSiC裸晶圓和外延晶圓。意法半導(dǎo)體表示，交易完成后，它將在全球產(chǎn)能受限的情況下控制部分SiC器件的整個(gè)供應(yīng)鏈。另據(jù)EE Times消息，不久前，意法半導(dǎo)體在其意大利卡塔尼亞工廠概述了大力發(fā)展碳化硅（SiC）業(yè)務(wù)，并將其作為戰(zhàn)略和收入的關(guān)鍵部分的計(jì)劃。

另外一個(gè)SiC晶圓廠羅姆對(duì)SiC的關(guān)注和布局就相對(duì)較早了，早在2009年Rohm收購了SiC晶圓供應(yīng)商SiCrystal，隨后在2010年推出首批批量生產(chǎn)的SiC肖特基二極管和MOSFET，2012年批量生產(chǎn)全SiC模塊，2017年交付了6英寸SBD。SiCrystal是羅姆成為ST意法半導(dǎo)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(shè)計(jì)公司最多采購的供應(yīng)商。

英飛凌公司布局碳化硅領(lǐng)域已超過30年。英飛凌的碳化硅材料主要采取外購的方式。2018年，英飛凌收購了碳化硅晶圓切割領(lǐng)域的新銳公司-Siltectra。Siltectra稱其相比傳統(tǒng)工藝將提高90%的生產(chǎn)效率。此次與GT Advanced Technologies簽約之后，“GTAT的優(yōu)質(zhì)碳化硅晶棒將為當(dāng)前和未來滿足一流標(biāo)準(zhǔn)的有競爭力的碳化硅晶圓提供額外來源。這為我們雄心勃勃的碳化硅增長計(jì)劃提供有力支持，充分利用我們現(xiàn)有的內(nèi)部技術(shù)和薄晶圓制造的核心競爭力。”英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部總裁Peter Wawer表示。

II-VI也計(jì)劃將150毫米（6英寸）碳化硅材料的產(chǎn)能擴(kuò)大5-10倍，同時(shí)擴(kuò)大差異化200毫米材料技術(shù)的批量生產(chǎn)，以滿足未來五年預(yù)期的不斷增長的需求。

日本昭和電工也多次發(fā)表了產(chǎn)能擴(kuò)充聲明。昭和電工 SiC 晶圓月產(chǎn)能 2018年4月從 3000 片提高至 5000 片 （第 1 次增產(chǎn)），且將在2019年 9 月進(jìn)一步提高至 7000 片 （第 2 次增產(chǎn)），而進(jìn)行第 3 度增產(chǎn)投資后，將在 2019 年 2 月擴(kuò)增至 9000 片的水準(zhǔn)、達(dá)現(xiàn)行 （5000 片） 的1.8倍。

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，由于制造端設(shè)備成本最高，廠商必須考慮資本投入后的成本回收，因此如果沒有看到終端需求有維持5年以上潛力，業(yè)者一般不會(huì)貿(mào)然擴(kuò)產(chǎn)。而這些大廠的擴(kuò)產(chǎn)也無疑證明了對(duì)SiC晶圓的看好。

國內(nèi)SiC晶圓襯底緩緩起步

來到國內(nèi)，目前國內(nèi)出貨量比較大或者比較知名的晶圓襯底企業(yè)有天科合達(dá)、山東天岳、河北同光、東莞天域、河北普興、中科鋼研、中電科二所和南砂晶圓等等。根據(jù)半導(dǎo)體時(shí)代產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心出具的《2020年中國第三代半導(dǎo)體碳化硅晶片行業(yè)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示：2020上半年全球半導(dǎo)體SiC晶片市場份額，美國CREE出貨量占據(jù)全球45%，日本羅姆子公司SiCrystal占據(jù)20%，II-VI占13%；中國企業(yè)天科合達(dá)的市場占有率由2019年3%上升至2020年5.3%，山東天岳占比為2.6%。

北京天科合達(dá)主要生產(chǎn)2-6英寸SiC襯底片。2020年8月，天科合達(dá)的第三代半導(dǎo)體碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)項(xiàng)目項(xiàng)目在北京市大興區(qū)順利開工，總投資約9.5億元人民幣，總建筑面積5.5萬平方米，新建一條400臺(tái)/套碳化硅單晶生長爐及其配套切、磨、拋加工設(shè)備的碳化硅襯底生產(chǎn)線，項(xiàng)目計(jì)劃于2022年年初完工投產(chǎn)，建成后可年產(chǎn)碳化硅襯底12萬片。

華為哈勃投資的山東天岳公司成立于 2011 年 12 月，公司自主開發(fā)了全新的高純半絕緣襯底材料，目前量產(chǎn)產(chǎn)品以 4 英寸為主，此外其 4H 導(dǎo)電型碳化硅襯底材料產(chǎn)品主要有 2 英寸、3 英寸、4 英寸及 6 英寸。山東天岳還獨(dú)立自主開發(fā)了 6 英寸 N 型碳化硅襯底材料。公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅材料產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先。

廈門瀚天天成目前可提供標(biāo)準(zhǔn)的3英寸、4英寸和6英寸碳化硅外延晶片，用于肖特基二極管（SBD）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）和雙極結(jié)型晶體管（BJT）的制作。2012年3月9日，公司宣布開始接受商業(yè)化碳化硅半導(dǎo)體外延晶片訂單，正式向國內(nèi)外市場供應(yīng)產(chǎn)業(yè)化3英寸和4英寸碳化硅半導(dǎo)體外延晶片。2014年4月，公司接受商業(yè)化6英寸碳化硅外延晶片訂單，正式向國內(nèi)外市場供應(yīng)商業(yè)化6英寸碳化硅外延晶片。

東莞天域主要提供4-6英寸外延片，據(jù)公司官網(wǎng)介紹，天域（TYSiC）成立于2009年，是中國第一家從事碳化硅外延晶片市場營銷、研發(fā)和制造的私營企業(yè)。2010年，天域與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作，共同創(chuàng)建了碳化硅研究所，該研究所由該領(lǐng)域最優(yōu)秀的人才組成。天域是中國第一家碳化硅半導(dǎo)體材料供應(yīng)鏈的企業(yè)獲得汽車質(zhì)量認(rèn)證（IATF 16949）。

三安光電這幾年也從LED芯片向高階化合物半導(dǎo)體擴(kuò)展延伸，2020年8月19日，三安光電宣布收購北電新材料公司，北電新材于2019年擬投資約5.8億元在福建安溪縣湖頭鎮(zhèn)橫山村建設(shè)碳化硅襯底生產(chǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目主要從事碳化硅襯底的生產(chǎn)，項(xiàng)目規(guī)劃年產(chǎn)能3.6萬片。2020年7月20日，長沙三安投資160億元用于第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目，主要研發(fā)、生產(chǎn)及銷售6英寸SiC導(dǎo)電襯底、4英寸半絕緣襯底、SiC二極管外延、SiC MOSFET外延、SiC二極管外延芯片、SiC MOSFET芯片、碳化硅器件封裝二極管、碳化硅器件封裝MOSFET。

中電化合物半導(dǎo)體有限公司是一家由中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)下屬公司—華大半導(dǎo)體有限公司主導(dǎo)投資的，致力于開發(fā)、生產(chǎn)寬禁帶半導(dǎo)體材料的高科技公司，成立于2019年11月。

中電化合物半導(dǎo)體已在杭州灣新區(qū)數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園建成含百級(jí)超凈車間現(xiàn)材料生產(chǎn)線，正式向國內(nèi)外市場供應(yīng)商業(yè)化4-8英寸SiC和GaN材料。截至2020年12月，公司從6英寸晶體、襯底到外延已通線，6英寸sic外延等產(chǎn)品已通過客戶驗(yàn)證。

露笑科技新建碳化硅襯底片產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，引進(jìn)具有國際先進(jìn)水平的6英寸導(dǎo)電晶體生長爐、4英寸高純半絕緣晶體生長爐等設(shè)備。去年11月，露笑科技與中科鋼研、國宏中宇簽訂戰(zhàn)略協(xié)議，與其共同研發(fā)適用于中科鋼研工藝技術(shù)要求的4英寸、6英寸、8英寸乃至更大尺寸級(jí)別的碳化硅長晶設(shè)備。

另外，中鴻新晶在濟(jì)南投資的第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目，一期就包括6-8英寸碳化硅單晶生產(chǎn)、加工、碳化硅外延生產(chǎn)線各2條。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析指出，總體來看，在SiC襯底方面，國外主流產(chǎn)品已經(jīng)完成從4寸向6寸的轉(zhuǎn)化，并且已經(jīng)成功研發(fā)8英寸SiC襯底片。而國內(nèi)SiC襯底片市場現(xiàn)在以4英寸為主，6英寸目前還在研發(fā)過程中，產(chǎn)品的成品率相對(duì)較低。要知道SiC器件成本高的一大原因就是襯底貴，目前，襯底成本大約是加工晶片的50%，外延片是25%，器件晶圓生產(chǎn)環(huán)節(jié)20%，封裝測試環(huán)節(jié)5%。SiC襯底不止貴，生產(chǎn)工藝還復(fù)雜，與硅相比，碳化硅很難處理、研磨和鋸切，挑戰(zhàn)非常大。所以大多數(shù)企業(yè)都是從Cree、羅姆或第三方供應(yīng)商那里購買襯底。

結(jié)語

國際大廠起步早，還不斷加速在SiC領(lǐng)域的布局，一方面將推動(dòng)碳化硅材料的市場滲透率加速，另一方面也加速搶占碳化硅晶片市場份額。對(duì)此，我國迫切需要加快發(fā)展步伐，但國內(nèi)本土SiC廠家與國外同行相比，雖然仍有一定差距，但還是很有希望可以迎頭趕上，追趕的過程還是有盼頭的。
責(zé)任編輯:tzh