SiC需求增长快于供应（内附SiC器件主要供应商）

宽禁带半导体材料越来越受行业欢迎。在碳化硅（SiC）正处于大力扩张之时，供应商都在努力满足SiC功率器件和硅片市场的潜在需求。

譬如，Cree计划投资高达10亿美元来扩张其SiC晶圆产能。根据该公司计划，Cree正在创建世界上第一个200毫米（8英寸）SiC晶圆厂，但从目前来说，150毫米（6英寸）仍将是主流的SiC晶圆尺寸。除此以外，其它半导体制造商也在扩充其150mm SiC的产量。

SiC突出有几大原因。与传统的硅基功率半导体器件相比，SiC具有10倍的击穿场强和3倍的导热率，非常适合高压应用，如电源和太阳能逆变器。SiC的巨大市场机遇是电动汽车。

Wolfspeed高级电源产品经理Guy Moxey曾表示，“碳化硅有着巨大的市场需求，它不仅仅体现在电动汽车和充电基础设施的广泛应用，在上游电力，清洁能源电力分配上，对于碳化硅都是一个充满机遇的市场。”

然而现在，在国内市场放缓的情况下，对SiC器件的需求略有停滞。在产品供给端，目前的SiC晶圆厂和产能也只能满足当前的需求。应对潜在的SiC激增市场，国际半导体大厂是不是该有所表现呢？

因为现在不仅电动汽车使用的SiC器件数量在增多，而且在政府倡导环保节能的产业政策下，未来电动汽车的数量将大幅增加。对于SiC供应商而言，这就意味着是潜在商机，如何抢先布局是处于竞争优势上的重要一环。

笔者近期也注意到一些大厂在SiC晶圆上的扩张动作。如Cree，英飞凌，罗姆等公司在150mm SiC晶圆厂产能上的扩张，而且罗姆和Cree也正着手创建200mm SiC晶圆厂，一些半导体设备供应商也在全力研发用于SiC生产的新设备。

什么是SiC？

据Yole称，2017年SiC功率器件业务达到3.02亿美元，比2016年增长22％。根据IHS的数据，预计2018年至2028年，SiC MOSFET市场将增长31％，到2028年达到12.5亿美元。同期，SiC功率模块业务将增长49％，到2028年达到18亿美元。

SiC器件的主要供应商包括：富士电机，英飞凌，Littlefuse，Microchip，三菱电机，安森美，意法半导体，罗姆，东芝和Cree旗下Wolfspeed等。

SiC功率半导体是市场上众多类型的功率器件之一。功率半导体是专用晶体管，在系统中充当开关。它们允许电源以“开”状态流通，“关”状态停止。这些器件可提高效率并最大限度地减少系统中的能量损失。

我们知道，基于硅，功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）是市场上主要的功率半导体器件。功率MOSFET用于高达900伏的应用。领先的中端功率半导体器件是IGBT，用于400伏至10千伏的应用。

功率MOSFET和IGBT达到其理论极限就会有能量损耗，这促使需要一些新技术，即氮化镓（GaN）和SiC功率半导体。GaN和SiC都是宽禁带产品，这意味着它们提供比IGBT和功率MOSFET更快的开关速度和更高的击穿电压。

图：什么是电源开关？它们是如何分类的？资料来源：英飞凌

GaN和SiC的缺点是成本。“我们开始看到碳化硅更多地用于汽车，”TechInsights分析师Jim Hines指出。“在汽车应用中不仅是要考虑其技术更是看它的成本。如果SiC和其他功率器件可以更具成本效益，那么它就会成为一个逆风。”

通常，元器件制造商销售SiC功率MOSFET和SiC二极管，用于600伏至10千伏应用。SiC功率MOSFET是功率开关晶体管。二极管起到单向导通的作用。

从2005年开始，该行业开始在100mm（4英寸）晶圆厂中增加SiC功率器件。然后，从2016年到2017年，SiC器件制造商完成了从100mm到150mm晶圆厂的迁移。如今，150mm是SiC的主流晶圆尺寸。

150mm晶圆厂解决了成本问题。当转变到新的晶圆尺寸时，每个晶圆的裸片数量将增加2.2倍。更大的晶圆尺寸降低了整体生产成本。而这种转变并不容易。

目前，一些SiC供应商仍然在努力应对150毫米的产量。当处理SiC材料时，晶片和器件中会出现位错和晶格缺陷。甚至一些制造商会出现产量下降的影响。

尽管面临挑战，但由于对电动汽车，电源和太阳能逆变器的需求，碳化硅器件市场在2015年左右开始升温。2017年，当特斯拉开始在其电动汽车中使用意法半导体的碳化硅功率器件用于牵引逆变器时，市场得到了推动。牵引逆变器为电动机提供牵引力以推进车辆。

同时，其他电动汽车制造商使用更便宜的IGBT用于牵引逆变器，但特斯拉证明SiC是一种可行的解决方案。SiC功率半导体也用于电动车辆的其他部件，例如车载充电器。

从2015年到2018年，SiC和其他电力半导体处于强劲增长周期，导致市场短缺。但在2018年末，国内和其他地区的市场降温。目前，碳化硅市场供需保持平衡。

SiC晶圆厂，设备

需求已经开始增长。例如，比亚迪，特斯拉等公司，意法半导体预计其SiC收入将翻一番，并在今年达到2亿美元。

为了满足需求，SiC供应商正在扩建其晶圆厂或扩大晶圆产能。例如，Cree将在2024年之前将其SiC晶圆厂产能扩大至30倍。它还将使其SiC材料产量增加30倍。

“我们继续看好汽车和通信基础设施领域，以利用碳化硅的优势来推动其创新。然而，对碳化硅的需求早已超过现有供应量，”Cree首席执行官Gregg Lowe表示，“我们相信这将使我们能够在未来五年及更长时间内满足Wolfspeed碳化硅材料和设备需求的预期增长。”

一段时间以来，Cree一直在扩大其150毫米晶圆厂产能。此外，Cree正在推进下一个200mm的SiC晶圆尺寸。根据IHS的说法，最早的200毫米SiC晶圆厂直到2022年才会投入生产。

与此同时，罗姆去年在新大楼内发布了150毫米晶圆厂扩建计划。总的来说，罗姆将在2025年将其SiC生产能力提高16倍，总投资额为5.461亿美元。

另一家供应商Infineon也在生产其150mm晶圆的SiC器件。英飞凌高级总监Peter Friedrichs表示。“短期和中期150mm就足够了。然而，从长远来看，需要200mm来推动并降低成本。”

SiC的突然激增扩产令供应链端的设备商大感惊呼。多年来，设备行业一直为SiC供应商提供服务，主要是使用旧的或翻新的制造设备。

对于SiC，设备供应商正在开发150mm和200mm的制造设备。通常，可以改装150mm制造设备以支撑200mm。

虽然200mm SiC晶圆厂不会在一段时间内投入生产，但设备行业需要为它们做好准备。“今天的挑战是下一次向200mm SiC器件制造过渡，” Lam Research战略营销高级主管David Haynes说。“与IGBT技术相比，采用200mm生产有可能降低单位芯片价格，提高SiC解决方案的经济性，同时开放更先进的工艺工具，增加工艺能力并与硅晶圆厂兼容。”

向200mm的转变给SiC带来了一些挑战。“目前的150mm SiC衬底仍然存在一些技术缺陷，” KLA产品营销经理Mukund Raghunathan说。“开发200mm将会是一个行业挑战。”

SiC不是一种在工厂中处理的简单材料。“它的透明度和高折射率使其成为一种非常具有挑战性的材料，用于检查可能会影响外延生长或最终器件产量的表面缺陷。SiC衬底上最常见的缺陷类型包括微管，划痕，凹坑，表面颗粒，污渍和晶体堆垛层错，”Raghunathan说。“微管是一种螺旋（螺旋）错位，会影响设备性能。虽然许多SiC基板制造商已经优化了它们的生长过程以降低微管密度，但还是有人仍在努力解决这个问题，特别是在直径较大的150mm晶圆上。”

幸运的是，设备制造商已开发出用于处理SiC的检测和计量工具。同时，一旦制成SiC晶片，衬底就被转运至工厂，在那里它们被加工成器件。

“无论器件是以150mm还是200mm制造，与硅相比，SiC等强粘接材料的加工都会带来一些挑战，”Lam Haynes表示。“特别是，通过精确的轮廓控制，表面质量和高产量蚀刻SiC是实现从平面SiC MOSFET到SiC沟槽MOSFET架构过渡所需的关键因素。”

然后，在器件中的晶片上处理器件之后，将它们切割并封装。切割过程带来了一些挑战。“碳化硅是地球上第三种最硬的复合材料，莫氏硬度为9.5，” Veeco产品营销总监Meng Lee表示。“晶圆非常难以切割，因为它们几乎与它们切割的金刚石砂轮一样坚硬。这些晶圆在切割过程中也很脆，易碎，导致刀片快速磨损。

SiC晶圆

可以肯定的是，SiC晶圆也很重要。“对于SiC来说，要获得硅片市场份额，SiC半导体器件需要降低价格。SiC设备的平均售价基本上取决于SiC晶圆的成本，而且在过去三年中这些产品的下降速度还不够快，“IHS Eden分析说。

有两种类型的SiC晶圆供应商——垂直整合和第三方。Wolfspeed，意法半导体和罗姆是垂直整合的。Wolfspeed不仅为自己的功率半导体提供SiC晶圆，而且还将它们出售给其他人。英飞凌和意法半导体最近与Wolfspeed / Cree签署了晶圆供应协议。

罗姆销售功率器件，并拥有内部SiC晶圆制造单元。其次，为了获得更多供应，意法半导体最近收购了Norstel（一家SiC晶圆供应商）的大部分股份。此外，II-VI，陶氏，昭和电工，住友和其他公司成为第三方SiC晶圆供应商。

总结：简而言之，电动汽车等高压应用引发了SiC短缺和价格上涨的恐慌。现如今大多数SiC晶圆供应商都在尽快扩大其生产能力以满足市场潜在需求。可以说，SiC供应链正在为电动汽车和其他行业的需求浪潮做准备。