SiC器件大戰一觸即發 | 半導體行業觀察
來源：內容由 微信公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank） 李壽鵬 原創，謝謝。
日前，德國大廠英飛凌宣佈，已收購一家名為Siltectra的初創企業，將一項創新技術(ColdSpilt)也收入了囊中。“冷切割”是一種高效的晶體材料加工工藝，能夠將材料損失降到最低。英飛凌將把這項技術用於碳化矽（SiC）晶圓的切割上，從而讓單片晶圓可出產的晶片數量翻番。進一步加碼碳化矽市場。
在早些時候，意法半導體CEO在接受半導體行業觀察等媒體採訪也談到，該公司的碳化矽產品已實現批量出貨，年出貨金額在今年能突破一億美元，市場佔有率高達90%；X—Fab也聲稱將擴大晶圓的生產；日本羅姆今年四月也宣佈，將在其福岡筑後工廠投建新廠房，擴充碳化矽產能。
多方面的訊息證明，碳化矽大戰一觸即發。
SiC功率器件需求大增
據Semiconductor Engineering報道，SiC是一種基於矽和碳的複合半導體材料。在生產流程中，專門的SiC襯底被開發出來，然後在晶圓廠中進行加工，得到基於SiC的功率半導體。許多基於SiC的功率半導體和競爭技術都是專用電晶體，它們可以在高電壓下開關器件的電流。它們用於電力電子領域，可以實現系統中電力的轉換和控制。
得益於其垂直架構，因此相較於氮化鎵和矽，碳化矽可以承受更高的電壓，能適用於1000V以上的應用市場。以矽而言，目前矽基MOSFET多應用在1000V以下，約600~900V之間，若是超過1000V，其晶片體積(Chip Size)會變得很大，以及切換損耗、寄生電容都會跟著提升，另外價格也會大漲，因此較不適用於1000V以上的應用。而SiC因其寬頻隙技術脫穎而出。而與傳統矽基器件相比，SiC的擊穿場強更是傳統矽基器件的10倍，導熱係數是傳統矽基器件的3倍，具有極其強大的優勢。
SiC和GaN設計方式不同，耐壓程度也因而有所差異。
羅姆在接受半導體行業觀察採訪時也表示，在功率元器件領域中，SiC作為新一代材料備受矚目，與傳統使用的Si相比，SiC元器件實現低導通電阻、高速開關、高溫工作。且使用SiC元器件能讓裝置變得更小、功耗更低。因具備高耐壓、高耐熱性，使得之前不能使用的小空間和嚴酷環境下的安裝成為可能。以汽車為例，應用於混合動力汽車、電動汽車，可大幅度降低油耗，擴大室內空間。用於太陽能發電時，功率損耗率能減少50%，有望為地球環境問題的緩解做出巨大貢獻。這就使得這個新型材料器件非常適合於在電源、汽車、鐵路、工業裝置、家用消費電子裝置等各個領域。尤其是今年來隨著電動車等產業的發展要求，市場對SiC的需求大增。
據麥姆斯諮詢報道，2018年全球將會有超過20家的汽車業者，在OBC中使用SiC肖特基二極體(Schottky Diodes)或SiC MOSFET；未來SiC功率半導體在OBC市場中有望以CAGR 44%的速度成長至2023年。麥姆斯繼續指出，未來將有愈來愈多的汽車製造商會在主逆變器中採用SiC功率半導體，特別是中國車商，近幾年更是紛紛考慮使用SiC功率元件，因此，2017~2023年，SiC功率元件在主逆變器市場的CAGR，更可能高達108%。這就推動市場的爆發性進展。
從他們提供的資料我們可以看到，全球SiC功率半導體市場將從2017年的3.02億美元，快速成長至2023年的13.99億美元，年複合成長率達29%。
上游供應商加緊佈局
面對這樣一個成長態勢，SiC的上游供應鏈廠商正在積極佈局。
首先在晶圓方面，目前全球僅約有三、四家業者（Cree、Norstel、新日鐵住金等）能提供穩定的產量，但似乎這個領域正在面臨不同的變化。
首先在全球SiC晶圓領頭羊Cree方面，他們加快向汽車領域進軍。
今年八月，該公司旗下的Wolfspeed宣佈，推出用於電動汽車（EV）和可再生能源市場的新型穩健SiC半導體器件系列E-Series 。據官方介紹，Wolfspeed的E系列是第一個符合汽車AEC-Q101標準並具有PPAP功能的SiC MOSFET和二極體商用系列。該產品使其成為唯一一款符合高溼度和汽車資質的商用SiC MOSFET和二極體系列產品，可為當今電力市場提供最可靠，最耐腐蝕的元件。
而日企昭和電工則在最近一年多裡釋出了多次SiC擴產宣告。
昭和電工表示，該公司之前分別於2017年9月、2018年1月宣佈增產SiC晶圓，不過因SiC制電源控制晶片市場急速成長、為了因應來自顧客端旺盛的需求，因此決定對SiC晶圓進行第3度的增產投資。昭和電工SiC晶圓月產能甫於今年(2018年)4月從3,000片提高至5,000片(第1次增產)，且將在今年9月進一步提高至7,000片(第2次增產)，而進行第3度增產投資後，將在2019年2月擴增至9,000片的水準、達現行(5,000片)的1.8倍。
在代工廠方面，X-Fab在今年九月宣佈，計劃將其位於德克薩斯州6英寸SiC工藝工廠產能翻番，以滿足客戶對高效功率半導體器件日益增長的需求。為了使容量翻倍，X-Fab 德州工廠購買了第二臺加熱離子注入機，用於製造6英寸SiC晶圓。預計到在2019年第一季度及時生產，以滿足預計的近期需求。
X-Fab德州工廠的Lloyd Whetzel說：“隨著SiC的日益普及，我們早就明白，提高離子注入能力是我們在SiC市場上的持續製造成功的關鍵。但這只是我們針對特定SiC製造工藝改進的總體資本計劃的第一步。這體現了X-Fab對SiC行業的承諾，並保持我們在SiC鑄造業務中的領導地位。”
來自我國臺灣地區的晶圓代工廠漢磊在今年八月也宣佈，決定擴大碳化矽（SiC）產能，董事會決議斥資3.4億元新建置6吋SiC生產線，為臺灣地區第一家率先擴增SiC產能的代工廠，預計明年下半年可以展開試產。據瞭解，漢磊目前已建立4吋SiC製程月產能約1500片，預計將現有6吋晶圓廠部分生產線改為SiC製程生產線，先把製程建立起來，以滿足車載、工控產品等客戶強勁需求，因6吋的SiC售價達4000美元（約12萬臺幣），估計每月只要產出2000到3000片，帶動營收就可望增加2、3億元以上。
國產方面，也有玩家躍躍欲試。
根據公開資料顯示，今年五月，上海瞻芯電子聲稱，他們製造的第一片國產6英寸碳化矽（SiC）MOSFET晶圓正式面世。據介紹，該公司2017年7月17日在上海臨港科技城正式註冊成立；於2017年10月上旬完成工藝流程、器件和版圖設計，在10月到12月間完成初步工藝試驗；並且從2017年12月開始正式流片，在短短不到5個月內克服種種困難，成功地在一條成熟量產的6英寸工藝生產線上完成碳化矽（SiC） MOSFET的製造流程。晶圓級測試結果表明，各項電學引數達到預期，為進一步完成工藝和器件設計的優化奠定了堅實基礎。
而成立於2006年的北京天科合達更自稱是亞太區碳化矽晶片生產製造先行者。
按照他們官方網站的介紹，北京天科合達在國內首次實現碳化矽晶體的產業化，打破了國外長期的技術封鎖和壟斷，向國內60餘家科研機構批量供應晶片（包括半絕緣、導電、沿c軸和偏角度等），推動了碳化矽外延、器件等相關的基礎研究，帶動南車集團等20多家（包含新成立的5家）企業進入下游外延、器件和模組產業，在國內形成了完整的產業鏈，推動了我國寬禁帶半導體產業的發展。
瀚天天成則是國內另一家專注於碳化矽外延晶片的中美合資高新技術企業。據Digtimes的報道，依賴於由大陸、美、日共同組成的頂尖研發技術團隊。公司從2011年成立以來，已經形成三英寸四英寸以及六英寸的完整碳化矽半導體外延晶片生產線，並滿足600V、1200V、1700V器件製作的需求。公司更是國內第一家提供商業化6英寸碳化矽外延片的供應商。公司更是預計在今年年底完成二期廠房的土地建設，在明年上半年逐步釋放新產能。二期擴建預期實現十倍產能的增長，達產年可實現每年30萬片的產能目標。
這些國內外的上游廠商正在推動SiC產業的進一步發展。
下游晶片廠的爭相競逐
為了更好地把握即將爆發的機會，下游的晶片廠也加碼卡位。
以英飛凌為例，在今年二月，英飛凌科技股份公司與科銳公司簽署一份碳化矽（SiC）晶圓長期供貨戰略協議。按照英飛凌執行長Reinhard Ploss指出：“我們對科銳公司的瞭解由來已久，它是一家強大可靠的合作伙伴，在業界享有良好聲譽。憑藉這份碳化矽晶圓長期供貨協議，我們能夠增強自身在汽車和工業功率控制等戰略增長領域的優勢，從而為客戶創造更大價值。”這是保證英飛凌在SiC批量出貨前的有力支援。
至於日前收購的Siltectra，則是英飛凌為提供SiC晶片產量而做的一個決定。據介紹，該公司開發的Cold Split可有效處理晶體材料，並可大幅減少材料損耗。英飛凌將採用此Cold Split技術分割碳化矽(SiC)晶圓，使晶圓產出雙倍的晶片數量。英飛凌執行長Reinhard Ploss也表示：“此次收購將協助我們利用新材料碳化矽擴充套件優異的產品組合。我們對系統的瞭解以及在薄晶圓方面的獨特專業技術將和Cold Split技術及Siltectra的創新能力相輔相成。Cold Split技術有助於我們以更多的SiC晶圓量產SiC產品，進一步擴充套件在再生能源，以及推動SiC在電動車傳動系統的使用率。”
英飛凌工業功率控制部門副總裁、大中華區副總裁於代輝在之前在接受半導體行業觀察採訪時也表示，英飛凌在SiC方面的研究已經超過了十五年，近年來更是投入三千五百萬歐元對SiC裝置和相關工藝的研發，並和可靠6英寸SiC晶圓供應商建立了可靠的合作關係，保證了其SiC晶圓的供應；再加上他們頂尖的研發和技術支援團隊加持，英飛凌的SiC研發進展順利，並推出了CoolSiC系列產品。
來到SiC的另一個重要玩家羅姆方面，作為功率元器件的新材料，羅姆很早就關注到SiC，並與使用者以及大學等機構一起展開合作，不斷積累技術經驗。據他們表示，在2009年將專門做SiC材料的德國SiCrystal公司納入旗下之後，公司確立了垂直統合生產體制，也讓公司成為全球唯一一家可以實現一條龍生產的SiC廠商。能從晶圓到封裝的所有工序均開展了品質改善活動。
在2010年4月，羅姆也率先在日本開始了SiC二極體的量產。同年12月，確立了世界首個SiC電晶體的量產體制。2012年3月，在全世界率先開始了全SiC功率模組的量產。目前，羅姆已實現第三代SiC MOSFET和SiC SBD產品的量產。近期，又推出了1700V 250A全SiC功率模組新產品。與此同時，羅姆發揮綜合性半導體廠商的優勢，備有發揮SiC元器件優秀效能的控制IC、以及支援客戶使用環境的評估和模擬工具等。因此，可為客戶提供以先進SiC功率元器件為首的綜合電源解決方案。本月初在接受日本媒體採訪時，羅姆方面表示，希望到2025年能夠將市場份額提高到三成。
至於意法半導體，因為其SiC產品被全球的電動車明星特斯拉採用，他們在這個市場的表現也不容忽視。而在文章的開頭，我們也說到了他們CEO對其現狀的一些介紹。據公司官網介紹，意法半導體從1996年開始從事碳化矽技術研發。在半導體市場推出一項新技術，質量高、壽命長，成本有競爭力是基本要求。意法半導體戰勝了這種寬頻隙材料的量產挑戰，於2004年開始生產其首款SiC二極體。2009年，意法半導體的第一款 SiC MOSFET投產，此後又增加了1200V的SiC MOSFET和功率肖特基二極體，以完善原來的650V產品組合。
隨著市場競爭愈演愈烈，基礎材料的成本不斷降低，碳化矽的供應鏈變得越來越穩健。意法半導體一直在努力改善材料和工藝質量。隨著材料和基於SiC技術的產品 變得更加成熟，意法半導體研製出正在成為汽車電氣化的關鍵推動力的汽車級SiC功率器件。
意法半導體的6英寸碳化矽晶圓於2017年投產，生產規模擴大有助於降低晶片成本，提高市場供應量，滿足日益增多的SiC應用的需求（包括更多的太陽能逆變器、工業電機驅動器、家用電器和電源介面卡）。
其他諸如安森美、東芝、富士電機、三菱、、Littelfuse、通用電氣和GeneSiC等公司也都是SiC市場的重要玩家，他們都在摩拳擦掌，虛位以待。
還需跨過這幾道坎
無論從市場反應，還是公司的表現來看，SiC器件似乎真的到了即將爆發的時候，但是從整體上看，還需要跨過幾道坎。首先，按照羅姆的說法，和Si相比，SiC的成本較高。如何提高成本競爭力，是SiC能夠爆發的一個關鍵條件。
從技術上看，SiC也需要迎來幾方面的挑戰。
瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮在接受臺媒CTIMES採訪時談到，由於碳化矽的生產瓶頸尚未解決，原料晶柱的品質不穩定，造成整體市場無法大規模普及。另一個發展限制，則是在碳化矽元件的應用與設計上。司馬良亮表示，由於矽晶圓問世已久，而且行之有年，有非常完整的工具與技術支撐，因此絕大多數的晶片工程師只熟悉矽元件的晶片開發，但對於碳化矽元件的效能與用途，其實不怎麼清楚。
他甚至用“博士”和“小學生”，來對比目前矽晶與碳化矽之間的知識落差。也因為有這樣的知識上的落差，造成碳化矽元件在發展上更加緩慢。
“工程師對碳化矽元件本身的效能就已經不太清楚，再加上晶圓品質的不穩定，導致元件的良率與可靠度不足，讓整個的產業發展非常緩慢”，司馬良亮說道。
如果這些問題能終有一日解決，SiC的時代那就真的真正來臨了。