記者丨林安東

編輯丨阿爾法

據(jù)《汽車新聞》報(bào)道，日本半導(dǎo)體制造商羅姆投建的新廠房于近日完工，并將于本月開始安裝生產(chǎn)設(shè)備，以滿足電動(dòng)車等用途的碳化硅（SiC）電源控制芯片產(chǎn)能。羅姆負(fù)責(zé)人表示，與2019財(cái)年（截至2020年3月31日）相比，預(yù)計(jì)2024財(cái)年（截至2025年3月31日）羅姆的碳化硅生產(chǎn)能力將提升5倍以上。

不止是羅姆，其他半導(dǎo)體制造商，如科銳（CREE）、意法半導(dǎo)體（ST）、英飛凌等廠商今年都在大舉擴(kuò)大產(chǎn)能, 碳化硅競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)進(jìn)入白熱化階段。

碳化硅是什么？

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展至今，經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前已經(jīng)形成了三代半導(dǎo)體材料。第一代半導(dǎo)體材料主要是硅半導(dǎo)體和鍺（Ge）半導(dǎo)體，它們是半導(dǎo)體分立器件、集成電路和太陽能電池的基礎(chǔ)材料。第二代半導(dǎo)體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）等化合物半導(dǎo)體材料。其中，砷化鎵可以運(yùn)用在移動(dòng)電話、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）等為代表，跟前兩代相比，第三代半導(dǎo)體更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

作為第三代半導(dǎo)體的代表材料，基于碳化硅的解決方案可以使系統(tǒng)效率更高、重量更輕，并且結(jié)構(gòu)更緊湊。碳化硅用在車用逆變器上，在相同功率等級(jí)下，全碳化硅模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時(shí)也可以使開關(guān)損耗降低75％。在相同的封裝下，全碳化硅模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。對(duì)于車載充電器和快速充電樁，碳化硅半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比，在充電過程中減少了能量損失，也減少了所需電容和電感的數(shù)量。在電動(dòng)汽車中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車載充電器和快速充電樁。

特斯拉Model 3就采用了意法半導(dǎo)體的碳化硅逆變器，后者也是第一家在主逆變器中集成全碳化硅功率模塊的車企。

在此之前，豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和電裝公司從1980年起就開始合作開發(fā)SiC半導(dǎo)體材料；2014年5月，他們正式發(fā)布了基于SiC半導(dǎo)體器件的零部件——應(yīng)用于新能源汽車的功率控制單元（PCU）。該單元將混合動(dòng)力汽車的燃油效率提高10％。與僅含硅功率半導(dǎo)體的PCU相比，該P(yáng)CU的尺寸縮小了80％。

加速爭(zhēng)奪“黃金賽道”

去年11月，英飛凌與GT Advanced Technologies（GTAT）簽署了碳化硅晶棒供貨協(xié)議，合同預(yù)期五年。英飛凌此舉無疑是看到了SiC廣闊的市場(chǎng)規(guī)模。據(jù)市場(chǎng)研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole預(yù)測(cè)，SiC的市場(chǎng)規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美元，這期間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。

不止是英飛凌，其他廠商（如ST、博世、羅姆等）也都看好碳化硅的穩(wěn)步需求，開始緊鑼密鼓地布局。

據(jù)《福布斯》統(tǒng)計(jì)顯示，目前全球生產(chǎn)碳化硅晶圓的廠商包括 CREE、英飛凌、羅姆半導(dǎo)體旗下的SiCrystal、II-IV、Norstel、新日鐵住金及道康寧等。還有一些新進(jìn)者，如韓國(guó)的SK Siltron通過收購杜邦的碳化硅晶圓部門，正在對(duì)該行業(yè)進(jìn)行投資；Soitec也宣布與應(yīng)用材料（Applied Materials）聯(lián)合開發(fā)下一代碳化硅襯底的開發(fā)計(jì)劃。

其中，CREE市占率高達(dá)6成，幾乎獨(dú)霸市場(chǎng)。Cree早在1991年就發(fā)布了全球首款商用SiC晶圓，并分別于2002年和2011年發(fā)布全球首款SiC JBS肖特基二極管和SiCMOS，2016年進(jìn)入6英寸SiC晶圓時(shí)代。

去年5月，Cree看好5G與電動(dòng)車需求，宣布將在未來5年內(nèi)斥資10億美元，用于擴(kuò)大SiC碳化硅產(chǎn)能，在公司的美國(guó)總部北卡羅萊納州達(dá)勒姆市建造一座自動(dòng)化200mm SiC碳化硅生產(chǎn)工廠和一座材料超級(jí)工廠。

目前，Cree的產(chǎn)能已被下游大客戶買斷，主要客戶包括ST、安森美。需要指出的是，意法半導(dǎo)體不僅簽署了超過5億美元的碳化硅晶圓購買合同，同時(shí)也在去年2月份以1.375億美元現(xiàn)金收購了瑞典碳化硅晶圓制造商N(yùn)orstel AB，Norstel主要生產(chǎn)150mm SiC裸晶圓和外延晶圓。意法半導(dǎo)體表示，交易完成后，將在全球產(chǎn)能受限的情況下，控制部分碳化硅器件的整個(gè)供應(yīng)鏈。

目前，已有多家廠商推出了電動(dòng)汽車充電器的碳化硅功率器件。Yole預(yù)計(jì)，這一市場(chǎng)在2023年之前仍可保持44%的增長(zhǎng)速度。

產(chǎn)能存在瓶頸

即便如此，由于SiC的生產(chǎn)瓶頸尚未解決，以及原料晶柱的質(zhì)量不穩(wěn)定、SiC器件的成本過高等因素，SiC整體市場(chǎng)無法大規(guī)模普及，SiC仍然面臨巨大的產(chǎn)能缺口。

據(jù)外媒報(bào)道，平均每2輛特斯拉純電動(dòng)車就需要一片6英寸SiC晶圓。單從需求來看，2020年如果不是新冠肺炎疫情帶來銷售及生產(chǎn)等多重變量，特斯拉于第一季度宣稱6月底美國(guó)工廠Model 3及Model Y的年產(chǎn)能將達(dá)50萬輛，上海工廠計(jì)劃年產(chǎn)能達(dá)50萬輛，總產(chǎn)能規(guī)模就達(dá)到100萬輛。也就是說，特斯拉一年大約需要50萬片6英寸碳化硅。而目前全球碳化硅晶圓總年產(chǎn)能在40萬-60萬片，特斯拉一家企業(yè)就能消耗掉當(dāng)下全球碳化硅總產(chǎn)能。

此外，有分析指出，除了常規(guī)的需求將持續(xù)外，一系列因5G、Wi-Fi 6布局而衍生的新興應(yīng)用也會(huì)持續(xù)拉升相關(guān)的SiC元器件需求。

除了產(chǎn)能因素，制約SiC發(fā)展的還有技術(shù)和成本因素。

《福布斯》指出，硅材料長(zhǎng)晶基本上只要3天時(shí)間即可長(zhǎng)成一根晶棒，而碳化硅晶棒大約需要7天，由于長(zhǎng)晶過程中要監(jiān)測(cè)溫度以及制程的穩(wěn)定性，以免良率不佳，故時(shí)間拉長(zhǎng)更增添長(zhǎng)晶的難度。而一般的硅晶棒有200厘米的長(zhǎng)度，但一根碳化硅的長(zhǎng)晶棒只能長(zhǎng)出2厘米，造成量產(chǎn)的困難。此外，碳化硅本身屬于硬脆性材料，在使用傳統(tǒng)的機(jī)械式切割晶圓劃片時(shí)，極易產(chǎn)生崩邊的情況。

據(jù)了解，目前市場(chǎng)上的碳化硅晶圓絕大部分是4英寸和6英寸，極少有廠商能生產(chǎn)8英寸SiC晶圓。而上述因素又導(dǎo)致碳化硅價(jià)格高昂，并且隨著需求增加，碳化硅的價(jià)格多次上漲，應(yīng)用和推廣難度就更大了。