关于未来之星SiC产业链研究

SiC是半导体领域最具成长力的材料，预计到2028年市场增长5倍。

来源：ST

SiC目前有两大应用市场，一是电动车逆变器、充电桩、太阳能发电、直流电网中取代硅基IGBT，二是以SiC基板（Substrate，大陆多称之为衬底，也有称之为blankraw wafer，空白晶圆）承载GaN做5G基地台的RF功率放大。

SiC和GaN都是市场备受瞩目的第三代半导体材料，第一代是硅，第二代则是砷化镓。第三代又称宽带隙半导体。其最主要应用就是功率电子领域，功率半导体两个最重要参数，一个是电子的迁移速率即速度/电流，另一个是能隙，其决定了半导体的崩溃电场，即最高承受电压。 SiC和GaN能隙是硅的三倍多，崩溃电场是硅的近10倍。功率元件通常都做开关电源用，需要低导通电阻和大电流，大功率电力系统为提高转换功率需要尽量提高电压，而电压=电场x距离。相同电压下，SiC和GaN可以减少大约十倍的操作距离，距离为电阻成正比，即导通电阻很低。因此相对硅基半导体SiC和GaN可以大幅度提高电力系统效率。

来源：YOLE

SiC功率系统产业链，最上游的基板到器件设计，然后是外延片，再后是芯片处理也就是晶圆代工，然后是封测，最后是系统。
此外，要说一下GaN，GaN没有安身立命的场所，它必须依附在某种基板上，通常有三种基板：一是蓝宝石，蓝宝石基板加GaN就是蓝光或白光LED，这在20年前已经由日本厂家发明；二是SiC基板，就是5G基站的射频放大器，此外大功率军用雷达也是典型应用；三是硅基板，就是普通的功率元件，特别适合用在手机快充领域的功率元件。
与硅基半导体不同，SiC产业链多了外延片Epitaxy这个环节，台湾称之为磊晶，也有称之为长晶。Epitaxy来自希腊文，epi代表在上方，而taxy指规则排列。之所以有这个工序是为了制造一层单晶机构，发挥复合半导体最大效能，它厚度很薄，大约是一个分子或原子的高度，通常有三种工艺，液相磊晶、气相磊晶（再分为化学气相和物理气相）和分子束磊晶。

来源：英飞凌

SiC MOSFET的成本结构，超过一半来自基板，磊晶占的比例很低。 基板是SiC元件最关键的原材料，也是最具技术含量和含金量的领域，SiC元件成本中，基板至少占一半，车载领域对散热要求高，因此所占成本更高，达65%。就6英寸晶圆来说SiC基板价格为900-1200美元，是硅的50倍。 实际SiC比硅出现的更早，早在1890年就已经出现，但一直难于突破量产瓶颈。SiC单晶生长温度高达2600℃，比硅基高1000°，且碳化硅只有“固-气”二相，相比于第一代、第二代半导体的“固-液-气”三相，控制起来要困难得多，没有相关技术进行参考借鉴。加上SiC的单晶结构差不多有200余种同分异构体，很多的晶型间的自由能差异非常小，需要几十年的时间来摸索最合适的工艺，这些都给其单晶的产业化生长制备带来了很大的挑战。 冷战时代，SiC材料是洲际导弹弹头涂敷材料，美苏都大力发展SiC材料制造工艺，最终用在电动车上。俄罗斯圣彼得堡工业大学是全球SiC单晶成长技术的发源地，其后辗转进入了瑞典AMDS。

基板领域，Cree是绝对霸主，市场占有率超过60%，车载领域超过80%。Cree在SiC基板领域研发超过35年，主要技术来源实际是北卡莱罗纳大学即NCSU，1987年NCSU的研究生约翰·帕尔默（John Palmour）发明专利，即SiC基MOSFET晶体管的发明，同年，约翰·帕尔默在NCSU的三角研究园创立Cree。但SiC基板一直无法突破，直到2006年Cree收购INTRINSIC Semiconductor，而这家公司则收购了瑞典AMDS和Bandgap Technologies 公司。最终历经30年研究，在2011年发布全球首个SiC MOSFET功率器件，然后依靠SiC基板技术，大力发展LED。 2015年9月，Cree公司将旗下功率和射频部门（Power ＆ RF）分拆为独立的“Wolfspeed”公司。英飞凌试图收购该公司，被美国政府以牵涉国家安全为理由拒绝。

2019年，Cree成为大众汽车集团FAST（Future Automotive Supply Tracks，未来汽车供应链）项目SiC独家合作伙伴。

Cree的产能已被下游大客户买断，主要客户包括ST、英飞凌、安森美。需要指出，ST不仅签署了超5亿美元的SiC基板购买合同，同时也以1.375亿美元现金收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel AB。 II-VI主要致力于SiC-GaN，即射频领域。SiCrystal是日本SiC第一大厂罗姆的子公司，SiCrystal于2009年被罗姆低价收购。早在1999年，罗姆就开始聚焦SiC，最初的SiC MOSFET开发始于2002年，初始样品于2005年出货。随后2007年试制了300A MOSFET，并于2008年发布了沟槽式器件。 2009年Rohm收购了SiC晶圆供应商SiCrystal，随后在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，2017年交付了6英寸SBD。SiCrystal是罗姆成为ST意法半导体之外最大的SiC元件大厂的主要原因，2020年初SiCrystal与ST签署了1.2亿美元的供货大单。SiCrystal也是中国SiC设计公司最多采购的供应商。 中国碳化硅材料供应商有山东天岳。2019年中期，华为旗下的哈勃科技投资了以碳化硅为主要业务的山东天岳公司，并占股10%。早在2008年6月4日，山东天岳公司团队就提供了一项名为“用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法”的发明专利（申请号：200810016665.6）。

SiC磊晶领域所占价值很低，主要厂家是台湾的嘉晶电子和昭和电工。国际大厂IQE、IET，台湾联亚、全新光电也有能力，但目前他们主要还是集中在市场更大的手机PA和VCSEL领域。 晶圆代工领域，SiC功率器件厂家基本上都自己拥有晶圆厂，不会委外代工。实际不止SiC功率器件领域内如此，所有硅基功率器件领域内也是如此。主要是考虑到成本控制问题，自有晶圆厂产品才能有竞争力。当然，中国大陆厂家是能外包的都外包，降低固定资产投入。 目前SiC功率器件晶圆代工领域恐只有台湾汉磊一家，汉磊是累积了8年经验才开始从事SiC功率器件晶圆代工。环宇、嘉晶也有能力，但对此都缺乏兴趣。汉磊几乎是唯一选择。汉磊的主力也不在此，毕竟市场太小了，基于SiC的GaN晶圆代工才是焦点，因为难度极高，一般厂家做不来，只有多年从事复合半导体晶圆代工的厂家才行。台湾有全球前三大复合半导体晶圆代工厂，稳懋、宏捷科、全新光电合计市场占有率超90%，比硅晶圆代工市场集中度更高。

下游SiC元件领域，ST占据绝对霸主地位，市场占有率超过50%，目前ST接获的68个项目中工业和汽车领域各占一半。特斯拉是ST独家供应，比亚迪也在使用ST的SiC MOSFET。除ST外，英飞凌和罗姆占了大约40%的市场。安森美在SiC二极管领域也有一席之地。

来源：YOLE

现代和雷诺可能会是罗姆的大客户，罗姆通过大陆汽车动力总成事业群分拆的Vitesco供应给现代和雷诺，此外PSA-FCA电驱动轴也是Vitesco主要客户。丰田则由电装供应。大众、奥迪和奔驰未来可能由英飞凌供应。这中间都需要通过电驱动轴厂家配合。中国宇通则是采用常州斯达半导体的SiC MOSFET 1200V，由Cree提供成品晶圆，斯达半导体只做封装测试。

原文标题：未来之星：SiC产业链研究

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责任编辑：haq