碳化硅晶圆争夺战

2019-12-09
14:00:24
来源: 半导体行业观察


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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?



从化合物半导体优势说起


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。


碳化硅拥优势,可望成为电动车零组件材料新宠儿


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。


既有厂商大举扩产 新进者积极切入


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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