深度!SiC产业链全解析,不可错过

2021-02-24 15:26:19 369

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。


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。


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。


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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。

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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。


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。

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中国SiC产业链

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