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！

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。

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！

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