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提升電動車續航4%的第三代半導體 - SiC碳化矽產業介紹
第三代半導體材料碳化矽（SiC）較傳統矽（Si）晶片減少50%電能轉換損耗、降低20%的電源轉換系統成本，還能提升電動車4%的續航能力！
電動車、5G兩大產業已經成為半導體產業持續成長的主要驅動力，傳統的矽晶圓材料已經無法滿足更高功率、高轉換效率、高頻率的需求，過去汽車是否省油，是由引擎決定，未來電動車要如何省電，則是由第3代半導體的SiC技術決定。
作為科技公司造車、顛覆市場的領頭羊，特斯拉Tesla在2018年就領先全球車企採用了SiC的功率半導體元件技術，創造出領先的續航、超充實力。
第三代半導體材料SiC、GaN開始從過去利基市場，正走向主要的舞台，對於半導體產業關注的投資人是不得不關注、了解的方向，也可以從中發掘值得投資的大成長標的。
碳化矽的市場前景 - 2025年成長五倍到25億美金
繼Tesla之後，三年後的今天，眾多車廠終於開始積極的跟進，預計SiC市場將從2019年的5.4億美金，在5年內成長5倍到25億美金，也吸引了眾多汽車半導體大廠積極投入。
第三代半導體材料種類與應用
- 碳化矽（SiC）：適合超高功率、高電能轉換效率應用，如電動車、充電樁、綠能發電、工業設備等
- 氮化鎵（GaN）：適合高頻率、低功耗、高功率應用，如5G基地台、手機功率放大器、手機快充充電器等
本文先介紹碳化矽（SiC），GaN另外再專文介紹。
以應用區分的市場成長性
最主要應用在節能減碳的電動車、充電基礎設施、太陽能、能源儲存等綠能產業，符合美國拜登政府接下來4年的主要政策方向：
- 最大的市場在電動車EV，38%年複合成長 - 逆變器（Inverter）、車充（OBC, On-Boarder Charger）
- 次大為太陽能光伏及能源儲存市場，年複合成長17%
- 第三大為電動車充電樁、基建領域xEV Infrastructure，年複合成長90%！（拜登政府3/31宣布，將在美國投資建置50萬個充電樁）
為什麼碳化矽成為關注的焦點？
相較傳統矽（Si）晶片，碳化矽（SiC）可以減少50%電能轉換損耗，因此可以提升電動車續航4%，還能降低20%的電源轉換系統成本。
- 更寬的能隙 - 提供更高的耐電壓、電流能力
- 更薄的耐受電壓隔離層 - 更低的導通電阻
- 更高的電子遷移率 - 更快速的切換
- 晶片更薄、3倍於矽的導熱係數 - 更好的散熱性能
SiC晶片耐受電壓層厚度只需Si晶片的1/10，提供高轉換效率，寬能隙材料特性提供更高的崩潰電壓，適合高壓電源轉換。
如果要轉換約1000伏特以上的高電壓，只有SiC能達到要求；換句話說，在電動車快速充電、綠能發電、大型的電動船，SiC都能做得更有效率。
如果要轉換約1000伏特以上的高電壓，只有SiC能達到要求；換句話說，在電動車快速充電、綠能發電、大型的電動船，SiC都能做得更有效率。
主要產品型態
- SiC晶圓基板
- SiC裸晶
- SiC功率元件、模組 - 蕭基二極體（Schottky diode）、場效電晶體（MOSFET）
在電動車領域，SiC廠商的商業模式有：
- 從晶圓向下垂直整合到提供元件給車廠、一級供應商：Rohm羅姆、Cree/Wolfspeed
- 提供SiC基板但向下垂直整合擴展 - II-VI
- 半導體元件製造商提供元件給車廠、一級供應商：Infineon英飛凌、On Semi安森美、STMicro意法半導體
- 車廠、一級供應商自己投入開發元件：BYD比亞迪、Bosch
可見業內大幅看好SiC的成長趨勢，從產業鏈上、下游都動起來，希望抓住這塊大餅。
主要廠商動態
- 日本Rohm：全球第一家商品化SiC功率模組的公司，宣布在2024年之前將增加碳化矽產能16倍，並投資8吋SiC晶圓廠；
- 美國Cree：2019年，德國福斯集團宣布與Cree獨家合作發展碳化矽技術，同年Cree也宣布投資10億美元，興建全球第一條8吋的SiC晶圓廠；
- 美國II-VI：2020年透過取得GE公司專利的授權進入SiC功率產品的開發
- 意法半導體：2018開始供應Tesla逆變器用的SiC模組，2019年宣布與雷諾-日產-三菱汽車結盟，供應電動車所需的碳化矽晶片；
- Infineon英飛凌：2018年11月以1.24億歐元收購SiC領域廠商Siltectra，推出一系列CoolSiC產品
- 比亞迪：2020年12月宣布計畫在2021年自建SiC生產線，建立包含晶片設計、晶圓製程完整能力，比亞迪在SiC MOSFET、Si的IGBT產品已經分別進入第三代、第五代
- 台灣瀚薪科技：2013年工研院團隊成立、漢民，據媒體報導因長期未獲利，加上技術無法突破，無法取得後續資金，經營困難只好解散公司，但已經變成中資，技術流至對岸另起爐灶（這是在台灣長期開發核心技術公司常見的困境，相比美國、大陸看的更遠，不斷支持基礎核心技術開發的後果...）
- 中國隨著第三代半導體材料應用觸角向5G基地台、特高壓、城際高鐵交通、新能源充電樁等關鍵領域，定位為國家2030規劃和十四五國家研發計畫，視為半導體產業彎道超車的機會。
第三代半導體材料的迷思
SiC和GaN雖然稱為第三代半導體，但最大功用在功率半導體元件，並無法完全取代傳統的Si，SiC其實在1890年代就開發出來，但其晶圓材料製造技術要求極高。以同樣6吋的晶圓而言，SiC的價格就大約是Si的五十倍，因此SiC功率元件的成本結構中，晶圓基板(substrate)往往會佔近一半成本。
從產業鏈的角度來看，SiC 及GaN在單晶、磊晶、元件設計、晶圓製作甚至應用端，彼此間存在著密不可分的唇齒關係，因此要做到完全垂直分工的產業鏈，是件艱鉅的挑戰。目前，國際大廠如Cree、Rohm為極少數已經掌握從長晶、晶圓基板到功率元件製造的完整技術。
台灣則目前多只能做中下游的磊晶跟元件，因為SiC的磊晶、元件製程與Si相似，因此可利用現有Si晶圓製作的生產線加以改裝。
著眼於SiC在電動車市場的高成長，2021年2月國際權威的Compound Semiconductor網站甚至稱SiC正在走EV/HEV（電動車/混合電動車）的紅地毯。
投資機會
目前All in第三代半導體技術的上市公司就是美國的Cree, Inc.，股票代碼CREE。
過去Cree有基於SiC基板的三大業務：LED、照明、SiC和GaN的功率半導體，2019年3月已經將照明事業出售，2020年10月也宣布將LED事業出售，並計畫將公司改名為Wolfspeed，全力專注第三代功率半導體事業。
Cree是全球少數從SiC晶棒到功率元件生產的垂直整合公司，另一家Rohm則在2009年收購歐洲最大的SiC單晶晶圓製造商SiCrystal，建立垂直整合能力。
Cree目前已經與ST、Infineon、On Semiconductor等汽車半導體領域巨頭公司簽約供應SiC晶圓基板合約，可見其在SiC領域的領導地位，公司也已經大舉投資全球第一個8吋SiC晶圓廠，公司的未來發展值得美股投資人密切關注！
更多第三代半導體材料產業介紹請至美股探路客網站...
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