碳化硅晶圆争夺战
2019-12-09
14:00:24
来源: 半导体行业观察
随著 5G、电动车等新应用兴起，万物联网时代来临，对功率半导体需求增温，碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 等化合物半导体材料跃升成市场焦点；
从最上游的半导体晶圆来看，碳化硅晶圆是势头正热的新材料，不过，究竟是什麽原因，让既有厂商与新进者，争相扩产或佈局？
半导体材料历经 3 个发展阶段，第一代是硅 (Si)、锗 (Ge) 等基础功能材料；
第二代开始进入由 2 种以上元素组成的化合物半导体材料，以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等为代表；
第三代则是氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等宽频化合物半导体材料。
目前全球 95% 以上的半导体元件，都是以硅作为基础功能材料的硅基半导体，不过，随著电动车、5G 等新应用，对电路高频率、高功率元件需求成长，硅基半导体因受限硅材料的物理性质，在性能上有不易突破的瓶颈，也让厂商开始著眼性能更优异的新材料，争相投入化合物半导体领域。
近来再度成为市场焦点的，便是第三代半导体材料氮化镓与碳化硅，其属于宽能带隙材料，具有高频、耐高电压、耐高温等优势，且导电性、散热性佳，可降低能量耗损，元件体积相对较小，适合功率半导体应用。
由于在高电压功率元件应用上，硅基元件因导通电阻过大，往往造成电能大量损耗，但硅材料遭遇瓶颈之下，氮化镓、碳化硅导通电阻远小于硅基材料，导通损失、切换损失降低，取而代之的是更高的能源转换效率，挟著高频、高压等优势，氮化镓、碳化硅崛起成为 5G 时代的半导体材料明日之星。
氮化镓主要应用于 600 至 1000 伏特的电压区间，具备低导通电阻、高频率等优势，且对电磁辐射敏感度较低，可在高温、高电压环境下运作，为理想的微波频率功率放大元件，应用包括变频器、变压器与无线充电。
氮化镓为基站、雷达与航空电子等无线通讯设备放大器首选，而未来 5G 基站供电模组、电动车车载充电等领域，也将持续推升需求。
虽然目前氮化镓在射频领域应用比重，仍高于电源领域，但包括电竞电脑、资料中心伺服器等应用，已有部分氮化镓功率元件开始导入，以提供更佳的电源转换效率。
碳化硅材料也同样具备低导通电阻、高切换频率、耐高温与耐高压等优势，可应用于 1200 伏特以上的高压环境，相较于氮化镓，碳化硅具备更高效率，应用层面广泛，如风电、铁路等大型交通工具、太阳能逆变器、不断电系统、智慧电网、电源供应器等高功率应用领域。
近来随著电动车与混合动力车发展，碳化硅材料快速在新能源车领域崛起，主要应用包括车载充电器、降压转换器与逆变器。
特斯拉 (Tesla) 已在旗下 Model 3 电动车的逆变器中，率先採用 SiC MOSFET 元件，降低传导与开关损耗，进而提升 Model 3 行驶距离，也让 SiC MOSFET 在电动车领域掀起讨论。
然而，SiC MOSFET 性能与散热表现虽然较佳，但受限成本过高，加上碳化硅晶圆生产技术複杂，良率表现不如硅晶圆，也使碳化硅目前在电动车领域渗透率仍不高。
不过，全球最大汽车零组件供应商 Delphi 今年 9 月发表最新使用碳化硅模组的 800 伏特逆变器，可延长电动车行驶距离、缩短电动车充电时间，也成功取得主要客户为期 8 年的订单合约，预计 2022 年起供货客户使用 800 伏特的高阶车款。
在全球最大汽车零组件大厂也投入碳化硅技术之下，也为未来碳化硅在车用市场的发展潜力，增添更多想像空间。
目前全球生产碳化硅晶圆的厂商，包括 CREE、罗姆半导体旗下 SiCrystal、II-IV、Norstel、新日铁住金及道康宁 (Dow Corning)，其中，CREE 市占率高达 6 成之多，几乎独霸市场，且 CREE 今年 5 月更宣布，看好 5G 与电动车后市需求，将在未来 5 年内，斥资 10 亿美元扩产。
著眼碳化硅在电动车、电力电子领域的优势，中国台湾硅晶圆大厂、同时也是全球第三大硅晶圆供应商环球晶 ，也积极跨入碳化硅晶圆领域，目前已有产品小量出货，且环球晶今年 8 月更宣布与 GTAT 签订碳化硅晶球长约，确保取得长期稳定、且符合市场需求的碳化硅晶球供应，以加速碳化硅晶圆产品发展，扩增在全球半导体市场的相关供应链占比。
台厂除环球晶外，汉磊投控 旗下磊晶硅晶圆厂嘉晶 也切入碳化硅磊晶代工服务，同集团的晶圆代工厂汉磊科则是提供 SiC Diode、SiC MOSFET 代工服务。
而韩国唯一的半导体硅晶圆厂 SK Siltron，呼应韩国政府近来推动的材料技术自主化政策，也在今年 9 月宣布拟收购美国化学大厂杜邦 (DuPont) 的碳化硅晶圆事业，积极切入次世代半导体晶圆技术。
在既有厂商与新进者相继扩增产能佈局之下，碳化硅晶圆成为半导体新材料的趋势已确立，虽然受限成本与技术门槛较高、产品良率不高等因素，使碳化硅晶圆短期内仍难普及，但随著 5G、电动车需求持续驱动，将成为加速碳化硅晶圆市场快速发展的最大推手，且在产品可靠度与性能提高下，终端厂商对新材料的信心，也可望随之提升。
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