以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體市場正在蓬勃發(fā)展。隨著5G、電動汽車等新興市場出現(xiàn)，SiC和GaN不可替代的優(yōu)勢使得相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用加速；隨著制備技術(shù)的進步，SiC與GaN器件與模塊在需求拉動下，疊加成本降低，SiC和GaN將迎來高光時代。

 

 

2021年3月1日，科銳（Cree）宣布完成出售LED產(chǎn)品事業(yè)部門，加上2019年5月完成照明業(yè)務(wù)出售交易，至此Cree完全蛻變成一家以寬禁帶半導(dǎo)體SiC（SiC on SiC，功率器件）和GaN（GaN on SiC，射頻器件 ）產(chǎn)品為主的公司，主要業(yè)務(wù)包括出售襯底、外延片、功率或射頻器件產(chǎn)品，并且提供氮化鎵射頻器件代工業(yè)務(wù)，囊括了寬禁帶半導(dǎo)體的所有環(huán)節(jié)。此外，公司還宣布，將在2021年底正式更名“疾狼（Wolfspeed）”。

 

1987年成立的Cree在SiC和GaN上創(chuàng)造了多個業(yè)界第一：1991年發(fā)布了世界上第一個商業(yè)化的SiC晶圓；1998年推出業(yè)界首個基于SiC基GaN的HEMT產(chǎn)品；2000年首次展示了具有創(chuàng)紀錄功率密度的GaN MMIC產(chǎn)品；2002年發(fā)布600V商用SiC JBS（肖特基二極管）；2011年推出業(yè)界首款SiC MOSFET；2017年推出業(yè)界首個1700V SiC半橋模塊，并發(fā)布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片。

 

2019年5月，Cree宣布將在5年內(nèi)投資10億美元用于在美國擴大SiC和GaN產(chǎn)能，包括投資4.5億美元在紐約州Marcy建造一座8英寸晶圓工廠（North Fab），同時投資4.5億美元在總部北卡羅萊納州達勒姆市（Durham）改擴建6英寸晶圓和襯底材料工廠為超級襯底材料工廠，另外1億美元用于流動資金。同年10月宣布在紐約州立理工學院奧爾巴尼分校成功完成了首批8英寸SiC晶圓樣品的制備。

 

Cree位于紐約Marcy的8英寸SiC晶圓工廠已于2020年2月開工，2021年4月設(shè)備開始搬入，預(yù)計將在2022年啟用生產(chǎn)。FAB空間458000平方英尺，其中潔凈室空間為135000平方英尺。到2024年滿產(chǎn)時，將達到2017年產(chǎn)能的30倍，同時產(chǎn)品要符合車規(guī)級。

 

Cree的雄心計劃：2024年8英寸SiC晶圓工廠規(guī)劃達產(chǎn)；2024年SiC和GaN器件產(chǎn)品業(yè)務(wù)占比將超過材料業(yè)務(wù)占比；2024年營收15億美元，EBIT3.75億元的經(jīng)營目標。

 

新的8英寸SiC晶圓工廠，Source：cree

 

Infineon提供全方位產(chǎn)品組合

 

英飛凌（Infineon）布局SiC多年，早在1992年Infineon的前身西門子半導(dǎo)體部門就開始研究SiC；1998年開始2英寸SiC生產(chǎn)；2001年SiC二極管上市；2006年推出首款SiC混合模塊2007年開始3英寸SiC生產(chǎn)；2009年推出首個SiC高壓模塊；2010年開始4英寸SiC生產(chǎn)；2014年發(fā)布SiC結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）；2015年開始向6英寸轉(zhuǎn)換；2016年推出CoolSiC MOSFET，并迅速由太陽能市場進入工業(yè)應(yīng)用、汽車市場。

 

2018年，英飛凌收購了碳化硅晶圓切割領(lǐng)域的新銳公司Siltectra，據(jù)悉Siltectra的冷切割技術(shù)（Cold Spilt）相比傳統(tǒng)工藝將提高90%的生產(chǎn)效率。2020年11月13日，Infineon與GT Advanced Technologies（GTAT）簽署五年期SiC晶棒供貨協(xié)議。

 

STM解決材料困擾

 

1996年意法半導(dǎo)體（STM）就開始進軍SiC市場，一直和SiC襯底和外延片制造商合作，2004年推出公司第一個SiC二極管，2009年推出首個SiC MOSFET，隨后進入車規(guī)級市場。2016年開始采用6英寸SiC外延片。

 

為了讓SiC的供應(yīng)鏈變得更加穩(wěn)健，意法半導(dǎo)體（STM）除簽署長期供應(yīng)協(xié)議后，還進行了并購。

 

2019年1月，意法半導(dǎo)體（STM）和Cree簽署一項多年期協(xié)議，在此期間，意法半導(dǎo)體可獲得價值2.5億美元6英寸SiC襯底和外延片。

 

2019年12月，意法半導(dǎo)體（STM）以1.375億美元現(xiàn)金完成收購瑞典SiC襯底和外延片制造商Norstel AB，Norstel將被完全整合到意法半導(dǎo)體（STM）的全球研發(fā)和制造業(yè)務(wù)中，繼續(xù)發(fā)展6英寸碳化硅襯底和外延片生產(chǎn)業(yè)務(wù)、研發(fā)6英寸碳化硅襯底和外延片以及更廣泛的寬禁帶材料。

 

意法半導(dǎo)體（STM）表示公司大力發(fā)展碳化硅（SiC）業(yè)務(wù)，并將其作為戰(zhàn)略和收入的關(guān)鍵部分的計劃。

Rohm積極投資擴產(chǎn)

 

2000年羅姆（Rohm）就已經(jīng)開始研究SiC，直到2009年通過收購德國SiC襯底和外延片供應(yīng)商SiCrystal，真正有了實質(zhì)性的進展。2010年推出首批批量生產(chǎn)的SiC肖特基二極管和MOSFET，2012年批量生產(chǎn)全SiC模塊，2015年率先推出溝槽型的SiC MOSFET，2017年交付6英寸SBD。20年的時間，羅姆（Rohm）生產(chǎn)的SiC也從2英寸逐漸發(fā)展到6英寸SiC-SBD。

 

羅姆（Rohm）近年加大在SiC的投資，計劃到2025年投資850億日元，預(yù)計產(chǎn)能到2025年將達到16倍。

 

2021年1月羅姆（Rohm）福岡筑后工廠新廠房竣工，將逐步開始安裝生產(chǎn)設(shè)備，并建立可滿足SiC功率元器件中長期增長需求的生產(chǎn)系統(tǒng)，預(yù)計將于2022年投產(chǎn)。

 

 

對SiC代工公司和以及碳化硅FABLESS來說，要想在市場上取得顯著的進展并不容易在SiC市場上，IDM（集成器件制造商）占據(jù)主導(dǎo)地位，科銳（Cree）、英飛凌（Infineon）、羅姆（Rohm）和意法半導(dǎo)體（STM）等是他們的強勁對手，這些友商都擁有自己的晶圓制造廠。

 

SiC代工業(yè)務(wù)剛剛起步，但SiC代工廠希望能夠復(fù)制成功的硅代工廠的模式。德國X-Fab、英國Clas-SiC（6英寸）、韓國YES POWERTECHNIX（YPT）以及中國的臺灣漢磊（Episil）、廈門三安（SANAN）、蕪湖啟迪（TUS SEMI）都希望從中分到一杯羹。

 

德國X-Fab

 

德國X-Fab已經(jīng)在其位于美國德克薩斯州拉伯克（Lubbock）的工廠提供SiC代工服務(wù)，2020年啟動了SiC內(nèi)部外延生產(chǎn)線，客戶增至23個，tape outs數(shù)量從106增至216個，有8個客戶在進行生產(chǎn)，4個客戶采用X-Fab提供的外延片。2020年SiC營收為2100萬美元，較2019年營收2320萬美元下滑10%，但產(chǎn)量增長了26%。據(jù)X-FAB表示，營收下滑是由于原有客戶開始自行提供外延片導(dǎo)致。

 

漢磊（Episil）

 

2021年4月29日，漢磊（Episil）宣布將投資50億新臺幣（約11.6億人民幣），全力發(fā)展氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）外延和器件代工。

 

漢磊從2015年開始為客戶提供4英寸SiC 600V-1200V SBD和MOSFET代工，并在2019年開始6英寸SiC代工，其SBD/JBS平臺良率超過95%。同時，漢磊還在開發(fā)1700V的SiC SBD和SiC溝槽MOSFET工藝。

 

2020年第2季已通過歐規(guī)車用VDA6.3評鑒，48V GaN也已取得Tier 1客戶認證，650V GaN已有數(shù)個客戶在導(dǎo)入。

 

2020年6月開始驗證子公司嘉晶6英寸碳化硅晶圓。2020年嘉晶完成了650V的硅基GaN外延平臺開發(fā)，并開發(fā)出應(yīng)用于射頻的SiC基GaN和硅基GaN外延產(chǎn)品，2020年底SiC基GaN驗證完成，硅基GaN預(yù)計2021年驗證完成。嘉晶已開發(fā)完成1700V與3300V SiC外延平臺，3300V SiC外延平臺已有日本客戶完成驗證。

 

其實漢磊從2009年就投入GaN代工服務(wù)。

 

廈門三安

 

廈門三安（SANAN）在電力電子領(lǐng)域，現(xiàn)已推出高可靠性，高功率密度的SiC功率二極管及硅基氮化鎵功率器件，已完成SiC功率二極管650V到1700V布局。

 

碳化硅功率二極管及MOSFET及硅基氮化鎵功率器件主要應(yīng)用于新能源汽車、充電樁、光伏逆變器等電源市場，目前碳化硅二極管開拓客戶182家，送樣客戶92家，轉(zhuǎn)量產(chǎn)客戶35家，超過30種產(chǎn)品已進入批量量產(chǎn)階段。二極管產(chǎn)品已有2款產(chǎn)品通過車載認證，送樣客戶4家。在硅基氮化鎵功率器件方面，完成約40家客戶工程送樣及系統(tǒng)驗證，已拿到12家客戶設(shè)計方案，4家進入量產(chǎn)階段。

 

韓國YES POWERTECHNIX（YPT）

 

成立于2017年的韓國YPT專注于SiC Diode和SiC MOSFET，是韓國第一家商業(yè)化SiC公司?？梢蕴峁?英寸SiC代工服務(wù)，月產(chǎn)能1500片。

 

 

SiC器件成本高的一大原因就是SiC襯底貴，目前，襯底成本大約是加工晶片的50%，外延片是25%，器件晶圓生產(chǎn)環(huán)節(jié)20%，封裝測試環(huán)節(jié)5%。SiC襯底不止貴，生產(chǎn)工藝還復(fù)雜，與硅相比，碳化硅很難處理、研磨和鋸切，挑戰(zhàn)非常大。所以大多數(shù)企業(yè)都是從Cree、Rohm等供應(yīng)商購買襯底。

 

SiC器件廣泛用于光伏逆變器、工業(yè)電源和充電樁市場，再加上特斯拉等新能源汽車廠開始陸續(xù)導(dǎo)入SiC器件，導(dǎo)致SiC器件用量激增，也直接拉到SiC襯底和外延片需求量增漲。目前SiC材料產(chǎn)能十分緊缺，能否穩(wěn)定供貨是碳化硅功率產(chǎn)品很重要的產(chǎn)品屬性。

 

目前Cree是全球最大的SiC襯底和外延片供應(yīng)商，約占全球一半產(chǎn)能；羅姆（Rohm）、高意（II-VI）分列二、三位，合計占有全球35%的產(chǎn)能。高意（II-VI）計劃將6英寸碳化硅材料的產(chǎn)能擴大5-10倍，同時擴大差異化8英寸材料技術(shù)批量生產(chǎn)；日本昭和電工（SDK）SiC襯底和外延片月產(chǎn)能2018年從3000片提高到2020年的月產(chǎn)能9000片的規(guī)模。

 

但同時Cree、Rohm、II-VI又是器件供應(yīng)商，與眾多客戶構(gòu)成了直接競爭關(guān)系，且能夠通過SiC襯底和外延片的銷售情況，獲取客戶的產(chǎn)品研發(fā)節(jié)奏、產(chǎn)能安排等核心商業(yè)信息，在市場爆發(fā)后，會讓客戶很受傷。

 

但由于碳化硅產(chǎn)業(yè)的封閉性帶來的供應(yīng)鏈壁壘一時無解。由于長晶和工藝經(jīng)驗的高度相關(guān)，Cree、Rohm、II-V等主流材料廠商的長晶爐都自行設(shè)計，牢牢掌控核心長晶環(huán)節(jié)的上游設(shè)備資源。新進入者需要同時解決工藝和設(shè)備的問題，難度不小。所幸的是，

 

2020年和2021年的缺芯之痛，讓下游客戶特別是汽車客戶對上游器件廠商的穩(wěn)定供貨能力會更加關(guān)注，將對IDM器件廠商會有更強的偏移。于是主流器件廠商紛紛找上上游材料廠商，或并購，或簽署長期供應(yīng)協(xié)議。

 

 

目前，在以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料研究和部署方面，美、日、歐仍處于世界領(lǐng)先地位。由于其未來戰(zhàn)略意義，我國對于寬禁帶半導(dǎo)體材料器件研發(fā)正進行針對性規(guī)劃和布局，其中“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃中也將其作為重點突破方向?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中特別指明集成電路攻關(guān)方向：集成電路設(shè)計工具、重點裝備和高純靶材等關(guān)鍵材料研發(fā)，集成電路先進工藝和IGBT、MEMS等特色工藝突破，先進存儲技術(shù)升級，碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展。同時很多省市也提出要大力發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體。

 

首先在關(guān)鍵裝備方面取得突破。中國電子科技集團公司第四十八研究所牽頭的課題組成功研制出適用于4-6英寸SiC材料及器件制造的高溫高能離子注入機（爍科中科信）、單晶生長爐、外延生長爐等關(guān)鍵裝備，并實現(xiàn)初步應(yīng)用。

 

第二在襯底和外延片方面取得突破。中電科材料、天科合達、山東天岳、河北同光晶體、世紀金光等廠商4英寸SiC襯底已經(jīng)實現(xiàn)大批量產(chǎn)；6英寸襯底進入初步工程化準備和小批量產(chǎn)的階段；8英寸襯底研發(fā)也取得了突破，2020年中電科半導(dǎo)體旗下山西爍科宣布8英寸碳化硅襯底片研發(fā)成功，即將進入工程化。中電科材料、瀚天天成、東莞天域等也在SiC外延片取得了更多我進展。

 

第三在器件和模塊方面，中車時代、華潤微電子、中電科55所、中電科13所、蘇州能訊、上海瞻芯、瑞能半導(dǎo)體、三安集成、嘉興斯達、揚杰科技、捷捷微電都取得不俗的成績。中車時代6英寸SiC SBD、PiN、MOSFET得到了廣泛應(yīng)用；高壓器件國產(chǎn)化方面，2020年華潤微發(fā)布了第一代SiC工業(yè)級肖特基二極管（1200V、650V）系列產(chǎn)品。

 

雖然說寬禁帶半導(dǎo)體器件已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但是產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，對誰來說機會都是均等的。

 

希望各地方政府和投資方踏踏實實、靜下心來發(fā)展產(chǎn)業(yè)，不要想著撈一把就走。2020年至今，國內(nèi)宣布的寬禁帶半導(dǎo)體項目超過100個，涉及襯底、外延、器件和模塊等全產(chǎn)鏈，計劃投資總額超過2000億元。

 

但現(xiàn)在投資方都喜歡把寬禁帶半導(dǎo)體稱為第三代半導(dǎo)體，向地方政府鼓吹彎道超車。在“第三代”半導(dǎo)體還沒有成熟的今天，有人又在宣布要搞“第四代半”導(dǎo)體，并宣稱第四代半導(dǎo)體在2023年要實現(xiàn)大爆發(fā)。