寬禁帶半導(dǎo)體材料越來(lái)越受行業(yè)歡迎。在碳化硅（SiC）正處于大力擴(kuò)張之時(shí)，供應(yīng)商都在努力滿足SiC功率器件和硅片市場(chǎng)的潛在需求。

譬如，Cree計(jì)劃投資高達(dá)10億美元來(lái)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(gè)200毫米（8英寸）SiC晶圓廠，但從目前來(lái)說(shuō)，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(chǎng)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(yáng)能逆變器。SiC的巨大市場(chǎng)機(jī)遇是電動(dòng)汽車(chē)。

Wolfspeed高級(jí)電源產(chǎn)品經(jīng)理Guy Moxey曾表示，“碳化硅有著巨大的市場(chǎng)需求，它不僅僅體現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)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(duì)于碳化硅都是一個(gè)充滿機(jī)遇的市場(chǎng)。”

然而現(xiàn)在，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)放緩的情況下，對(duì)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(duì)潛在的SiC激增市場(chǎng)，國(guó)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(dòng)汽車(chē)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(lái)電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量將大幅增加。對(duì)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(dòng)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(chēng)，2017年SiC功率器件業(yè)務(wù)達(dá)到3.02億美元，比2016年增長(zhǎng)22％。根據(jù)IHS的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2018年至2028年，SiC MOSFET市場(chǎng)將增長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)上眾多類(lèi)型的功率器件之一。功率半導(dǎo)體是專(zhuān)用晶體管，在系統(tǒng)中充當(dāng)開(kāi)關(guān)。它們?cè)试S電源以“開(kāi)”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(chǎng)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(huì)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(kāi)關(guān)速度和更高的擊穿電壓。

圖：什么是電源開(kāi)關(guān)？它們是如何分類(lèi)的？資料來(lái)源：英飛凌

GaN和SiC的缺點(diǎn)是成本。“我們開(kāi)始看到碳化硅更多地用于汽車(chē)，”TechInsights分析師Jim Hines指出。“在汽車(chē)應(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(huì)成為一個(gè)逆風(fēng)。”

通常，元器件制造商銷(xiāo)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(kāi)關(guān)晶體管。二極管起到單向?qū)ǖ淖饔谩?/p>

從2005年開(kāi)始，該行業(yè)開(kāi)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(wèn)題。當(dāng)轉(zhuǎn)變到新的晶圓尺寸時(shí)，每個(gè)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(duì)150毫米的產(chǎn)量。當(dāng)處理SiC材料時(shí)，晶片和器件中會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)和晶格缺陷。甚至一些制造商會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量下降的影響。

盡管面臨挑戰(zhàn)，但由于對(duì)電動(dòng)汽車(chē)，電源和太陽(yáng)能逆變器的需求，碳化硅器件市場(chǎng)在2015年左右開(kāi)始升溫。2017年，當(dāng)特斯拉開(kāi)始在其電動(dòng)汽車(chē)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(shí)，市場(chǎng)得到了推動(dòng)。牽引逆變器為電動(dòng)機(jī)提供牽引力以推進(jìn)車(chē)輛。

同時(shí)，其他電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)車(chē)輛的其他部件，例如車(chē)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(zhǎng)周期，導(dǎo)致市場(chǎng)短缺。但在2018年末，國(guó)內(nèi)和其他地區(qū)的市場(chǎng)降溫。目前，碳化硅市場(chǎng)供需保持平衡。

SiC晶圓廠，設(shè)備

需求已經(jīng)開(kāi)始增長(zhǎng)。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(chē)和通信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，以利用碳化硅的優(yōu)勢(shì)來(lái)推動(dòng)其創(chuàng)新。然而，對(duì)碳化硅的需求早已超過(guò)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(lái)五年及更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)滿足Wolfspeed碳化硅材料和設(shè)備需求的預(yù)期增長(zhǎng)。”

一段時(shí)間以來(lái)，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(gè)200mm的SiC晶圓尺寸。根據(jù)IHS的說(shuō)法，最早的200毫米SiC晶圓廠直到2022年才會(huì)投入生產(chǎn)。

與此同時(shí)，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(lái)說(shuō)，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(jí)總監(jiān)Peter Friedrichs表示。“短期和中期150mm就足夠了。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，需要200mm來(lái)推動(dòng)并降低成本。”

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(lái)，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(duì)于SiC，設(shè)備供應(yīng)商正在開(kāi)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(huì)在一段時(shí)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(guò)渡，” Lam Research戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)主管David Haynes說(shuō)。“與IGBT技術(shù)相比，采用200mm生產(chǎn)有可能降低單位芯片價(jià)格，提高SiC解決方案的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)開(kāi)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(lái)了一些挑戰(zhàn)。“目前的150mm SiC襯底仍然存在一些技術(shù)缺陷，” KLA產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Mukund Raghunathan說(shuō)。“開(kāi)發(fā)200mm將會(huì)是一個(gè)行業(yè)挑戰(zhàn)。”

SiC不是一種在工廠中處理的簡(jiǎn)單材料。“它的透明度和高折射率使其成為一種非常具有挑戰(zhàn)性的材料，用于檢查可能會(huì)影響外延生長(zhǎng)或最終器件產(chǎn)量的表面缺陷。SiC襯底上最常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型包括微管，劃痕，凹坑，表面顆粒，污漬和晶體堆垛層錯(cuò)，”Raghunathan說(shuō)。“微管是一種螺旋（螺旋）錯(cuò)位，會(huì)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(zhǎng)過(guò)程以降低微管密度，但還是有人仍在努力解決這個(gè)問(wèn)題，特別是在直徑較大的150mm晶圓上。”

幸運(yùn)的是，設(shè)備制造商已開(kāi)發(fā)出用于處理SiC的檢測(cè)和計(jì)量工具。同時(shí)，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(wú)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(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)，”Lam Haynes表示。“特別是，通過(guò)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(guò)渡所需的關(guān)鍵因素。”

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(guò)程帶來(lái)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(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Meng Lee表示。“晶圓非常難以切割，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(guò)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(duì)于SiC來(lái)說(shuō)，要獲得硅片市場(chǎng)份額，SiC半導(dǎo)體器件需要降低價(jià)格。SiC設(shè)備的平均售價(jià)基本上取決于SiC晶圓的成本，而且在過(guò)去三年中這些產(chǎn)品的下降速度還不夠快，“IHS Eden分析說(shuō)。

有兩種類(lèi)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(xiāo)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(gòu)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(jiǎn)而言之，電動(dòng)汽車(chē)等高壓應(yīng)用引發(fā)了SiC短缺和價(jià)格上漲的恐慌。現(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(chǎng)潛在需求。可以說(shuō)，SiC供應(yīng)鏈正在為電動(dòng)汽車(chē)和其他行業(yè)的需求浪潮做準(zhǔn)備。