當(dāng)下，電動汽車滲透率不斷增高，同時整車電氣架構(gòu)向800V高壓方向演進，這一趨勢推動了市場對SiC器件的需求。其中，SiC襯底作為成本最高、技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)，其產(chǎn)能卻遠不足以匹配市場需求，SiC襯底的革新迫在眉睫。
擴大SiC襯底尺寸既能增加產(chǎn)能供給，又能進一步降低SiC器件的平均成本，因此，當(dāng)下，全球正積極逐鹿8英寸市場。
領(lǐng)先者：量產(chǎn)節(jié)點在2023年
對于SiC襯底企業(yè)而言，市場的爭奪戰(zhàn)不僅僅是產(chǎn)能的比拼，也是襯底尺寸的比拼。就當(dāng)下而言，國際企業(yè)對于8英寸碳化硅襯底的量產(chǎn)已提上日程，屬于“領(lǐng)先者”的角色。
Wolfspeed是當(dāng)之無愧的第一梯隊成員。2015年Wolfspeed展示了8英寸碳化硅襯底、2019年完成了首批8英寸碳化硅襯底樣品的制樣。產(chǎn)能方面，2022年4月，Wolfspeed啟用了全球第一家8英寸碳化硅晶圓廠、2023年2月宣布計劃在德國薩爾州再建8英寸碳化硅工廠，新工廠預(yù)計可于2023年上半年啟動。
Coherent（原名II-VI）在2015年7月展示了8英寸導(dǎo)電型SiC襯底，2019年又推出了半絕緣8英寸SiC襯底。2022年3月，其宣布將在美國伊斯頓大規(guī)模建設(shè)近30萬平方英尺的工廠，以擴大6英寸和8英寸SiC襯底和外延晶片的生產(chǎn)。
羅姆于2009年收購德國SiC襯底和外延片供應(yīng)商SiCrystal、在2015年展示了8英寸SiC襯底。在PowerUP Expo 2022上，羅姆半導(dǎo)體美國總裁Jay Barrus表示，他們將于2023年開始量產(chǎn)8英寸SiC襯底產(chǎn)品。
英飛凌在2020年9月宣布其8英寸SiC晶圓生產(chǎn)線已經(jīng)建成。據(jù)悉，英飛凌同樣計劃在2023年左右開始量產(chǎn)8英寸襯底，2025年實現(xiàn)8英寸碳化硅器件的量產(chǎn)。
Soitec在2022年5月發(fā)布了首款8英寸碳化硅SmartSiC晶圓。產(chǎn)能方面，Soitec在2022年3月啟動新晶圓廠建設(shè)計劃，用于6英寸、8英寸SmartSiC晶圓制造，預(yù)計2023年下半年建成投產(chǎn)。
意法半導(dǎo)體在2019年收購了Norste公司，并將其更名為意法半導(dǎo)體碳化硅公司。2021年7月，意法半導(dǎo)體宣布瑞典北雪平工廠制造出首批8英寸SiC晶圓片。目前，意法半導(dǎo)體正積極推進碳化硅晶圓產(chǎn)線從6英寸向8英寸轉(zhuǎn)型，預(yù)計2023年8英寸碳化硅晶圓即將量產(chǎn)。
安森美在2021年第3季度通過收購襯底供應(yīng)商GTAT，順利搭建了從碳化硅晶錠、襯底、器件生產(chǎn)到模塊封裝的垂直整合模式。產(chǎn)能方面，2022年8月，安森美位于新罕布什爾州哈德遜市的SiC工廠落成，建成之后碳化硅產(chǎn)能將同比增長五倍；2022年9月，安森美在捷克共和國羅茲諾夫擴建的碳化硅工廠落成，并將在未來兩年內(nèi)將其碳化硅晶圓產(chǎn)能提高16倍，進一步擴大晶圓和SiC EPI制造。
可以看到，目前實際上僅有Wolfspeed實現(xiàn)8英寸碳化硅量產(chǎn)，而大多數(shù)國際企業(yè)則將8英寸碳化硅襯底的量產(chǎn)節(jié)點定在2023年左右。
同時，SiC器件國際供應(yīng)商逐漸補齊了襯底版圖，比如意法半導(dǎo)體收購了Norstel、羅姆收購了SiCrystal、安森美收購了GTAT。SiC襯底成為兵家必爭之地，產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合的趨勢也愈發(fā)明顯。
追趕者：在2022年突飛猛進
相比之下，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚，在碳化硅襯底尺寸上也有所落后，屬于“追趕者”的角色。
但在2022年，中國碳化硅襯底的研發(fā)仿佛被按下了“加速鍵”，多家企業(yè)在襯底尺寸上實現(xiàn)了突破。
爍科晶體方面在2020年10月便已完全掌握了4-6英寸襯底片“切、磨、拋”工藝，同時8英寸襯底片已經(jīng)研發(fā)成功；2022年1月，爍科晶體實現(xiàn)8英寸N型碳化硅拋光片小批量生產(chǎn)。
天科合達在2020年開始開展8英寸導(dǎo)電型SiC單晶襯底的研發(fā)工作，目前已突破了8英寸晶體擴徑生長和晶片加工等關(guān)鍵技術(shù)難題，并在2022年11月發(fā)布8英寸導(dǎo)電型SiC單晶襯底。天科合達還計劃在2023年實現(xiàn)8英寸襯底產(chǎn)品的小規(guī)模量產(chǎn)。
科友半導(dǎo)體于2022年10月在6英寸碳化硅晶體厚度上實現(xiàn)40毫米的突破，后又在12月份宣布，其通過自主設(shè)計制造的電阻長晶爐產(chǎn)出直徑超過8英寸的碳化硅單晶，晶體表面光滑無缺陷，最大直徑超過204毫米。
天岳先進從籽晶入手，在粉料合成、熱場設(shè)計、工藝固化、過程控制、加工檢測等全流程實現(xiàn)技術(shù)自主可控。2020年，天岳先進啟動了8英寸碳化硅襯底的研發(fā)，并在ICSCRM 2022上宣布成功研發(fā)了8英寸碳化硅襯底。目前，8英寸產(chǎn)品雖然未達到量產(chǎn)的程度，但項目研發(fā)進展順利。
晶盛機電在2022年8月宣布首顆N型SiC晶體成功出爐。2023年2月4日，在晶盛機電6英寸雙片式SiC碳化硅外延設(shè)備發(fā)布會上，晶盛機電介紹，公司已完成了6英寸到8英寸的擴徑和質(zhì)量迭代，實現(xiàn)8英寸拋光片的開發(fā)，晶片性能參數(shù)與6英寸晶片相當(dāng)，今年二季度將實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。
中科院物理所于2021年10月在自研的襯底上初步生長出了8英寸SiC晶體。來到2022年5月份，科研人員通過優(yōu)化生長工藝，進一步解決了多型相變問題，持續(xù)改善晶體結(jié)晶質(zhì)量，成功生長出了單一4H晶型的8英寸SiC晶體，晶坯厚度接近19.6mm，加工出厚度約2mm的8英寸SiC晶片。
此外，山東大學(xué)官網(wǎng)在2022年9月份也宣布，徐現(xiàn)剛教授團隊在8英寸導(dǎo)電型碳化硅單晶襯底制備技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破。據(jù)悉，團隊與南砂晶圓半導(dǎo)體公司合作，采用物理氣相傳輸法（PVT）擴徑制備了8英寸導(dǎo)電型4H-SiC單晶，并加工成厚度520μm的8英寸4H-SiC襯底。
國內(nèi)廠商存廣闊替代空間
碳化硅是資金、人才、技術(shù)密集型行業(yè)。應(yīng)用領(lǐng)域方面，得益于優(yōu)異的能源轉(zhuǎn)換效率，碳化硅在電動汽車、光伏、軌道交通、智能電網(wǎng)、家電等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用前景。以電動汽車為例，據(jù)TrendForce集邦咨詢調(diào)查與分析，隨著越來越多車企開始在電驅(qū)系統(tǒng)中導(dǎo)入SiC技術(shù)，預(yù)估2026年車用SiC功率元件市場規(guī)模將攀升至39.4億美元。
襯底環(huán)節(jié)制造難度大，而國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚。但在政府的支持下，企事業(yè)單位、科研機構(gòu)正潛心研發(fā)。
特別是在襯底尺寸上，可以看到，國際企業(yè)大多將8英寸碳化硅襯底的量產(chǎn)節(jié)點定在2023年左右，但中國企業(yè)也不遑多讓，爍科晶體已實現(xiàn)小批量量產(chǎn)，而天科合達、晶盛機電也宣布將在2023年實現(xiàn)8英寸碳化硅襯底的小批量量產(chǎn)。
當(dāng)然，“小批量量產(chǎn)”與“量產(chǎn)”是不同的，二者在良率、成本上有著本質(zhì)的差別。但對比碳化硅襯底4英寸、6英寸時代而言，當(dāng)下的差距已有了較大的進步：國際上，4英寸碳化硅襯底量產(chǎn)時間相比國內(nèi)早10年以上；6英寸則大致早7年。
而一個明顯的趨勢是，從4英寸到6英寸，代差正在縮短。來到8英寸，差距猶存，但中國廠商正在加速追趕。未來的碳化硅市場，中國必將占一席之地。
來源：化合物半導(dǎo)體市場 Winter