5G、電動車的新材料，華爲、特斯拉都入局的碳化硅產業爲何很重要？

　　特斯拉的 Model 3 用碳化硅取代傳統的硅基底芯片來做電流轉換模組; 華爲將碳化硅使用在 5G 基站的功率放大器中，併入局佈局該產業，以旗下公司名義投資第三類半導體材料碳化矽企業山東天嶽。
　　<strong>碳化硅是屬於第三代半導體材料，也是地球上第三硬的化合物，僅次於鑽石和碳化硼</strong>，據說是太陽系剛誕生的 46 億年前的隕石中，所發現的少量物質，因此，碳化硅又被稱爲是“經歷 46 億年時光之旅的半導體材料”。
　　<strong>與傳統的硅晶圓相較，碳化硅憑什麼一夕爆紅？</strong>
　　碳化硅相較於傳統硅晶圓有更高的功率密度、讓設備的尺寸和體積更小、相應的電池體積也會更小，因此可以延長電池使用壽命，讓電動車的行駛里程更遠。
　　打個比方，使用碳化硅材料的逆變器模塊，與使用傳統硅材料的相比，電池效能可提高 10%，且電池的體會積縮小 30%，這也可以解釋爲什麼電動車會大力倡導碳化硅這項新材料。
　　<strong>另一個大量的應用，是射頻 RF 元件，因爲碳化硅可以有更好的散熱，因此，5G 基地臺中的射頻元件也非常適合使用碳化硅。</strong>
　　既然碳化硅有這麼多優點，那爲什麼市面上應用不大舉取代硅晶圓？
　　主要在於<strong>碳化硅產業還面臨四個挑戰：</strong><strong>供應不足、良率、產品電氣性能表現待提升、成本過高。</strong>
　　因爲碳化硅產量還太小且穩定度不夠，且上述也提到，碳化硅是地球是第三硬的化合物，因此與硅相比，碳化硅堅硬的材質和複雜的製造流程，也導致成本很高。
　　雖然單個碳化硅元件的成本仍是高於傳統硅元件，但以整體系統成本角度視之，仍是節省很多。
　　例如，在電動車中，碳化硅可能會額外增加 300 美元的前期成本，但從整個系統來看，電池成本、電動車空間和冷卻成本的降低，可以減少約 2,000 美元的成本。
　　再進一步深入探討碳化硅產業之前，我們先來看看有哪些產業巨頭已經開始使用這種新材料，並且帶來什麼樣的市場衝擊。
　　<strong>特斯拉：</strong>
　　全球碳化硅功率半導體市場的規模，將從 2017 年的 3.02 億美元，快速成長至 2023 年的 13.99 億美元，<strong>未來車廠在功率電子中採用碳化硅的比重會持續增加，像是主逆變器、車載充電器 (OBC)、直流 - 直流(DC-DC) 轉換器等。</strong>
　　<strong>特斯拉的 Model 3 是第一家採用碳化硅 SiC MOSFET 來做逆變器的車廠</strong>，主要是與意法半導體合作，相較於市面上的電動車多是使用硅基底芯片如 IGBT、MOSFET 等來製作。
　　Model 3 使用了 SiC MOSFET 模組後，AC / DC 的電流轉換效率在長距離電動車市場上排名第一，加速特斯拉的主要競爭對手車商開始評估使用碳化硅材料 SiC MOSFET。
　　<strong>保時捷（Porsche）：</strong>
　　在 2018 年 10 月即發表碳化硅 SiC MOSFET 模組的電動車快速充電樁。
　　<strong>德國汽車零組件供應商 Delphi ：</strong>
　　Delphi 在 2019 年發表最新使用碳化硅模組的 800V Inverter，相較於目前電動車以使用 400V Inverter 系統爲主，使用碳化硅的 800V Inverter 能延長行駛距離，並縮短充電時間。
　　<strong>比亞迪（BYD）：</strong>
　　<strong>已入局自研碳化硅產業，並且擴大碳化硅功率元件的規劃，要建立完整的產業鏈</strong>，整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延片（Epitaxy）、硅片、模組封裝等，以降低碳化硅器件的製造成本，加快碳化硅應用在電動車領域。
　　目前碳化硅晶圓供應商是以美國科銳（Cree）爲龍頭，但加入該領域的半導體商越來越多，美國、韓國、歐洲都有碳化硅晶圓供應商參與其中。
　　<strong>美國科銳（Cree）</strong>：
　　<strong>目前是碳化硅領域的龍頭，市佔率過半。因爲 Cree 看好未來需求，也在 2019 年啓動擴產計劃，總投資 10 億美元，估計在碳化硅晶圓產能與碳化硅晶圓製作材料上，可增加高達 30 倍。</strong>
　　另外，Cree 也將把旗下的功率元件（Power）和射頻（RF）事業羣更名爲 Wolfspeed，而 Wolfspeed 是 SiC Diode、SiC MOSFET 的主要廠商，也讓整個 Cree 集團在碳化硅產業供應鏈勢力擴大。
　　<strong>美國材料公司 II-VI：</strong>
　　是一家工程材料和光電元件供應商，同時也是碳化硅材料供應商。
　　<strong>南韓硅晶圓廠 SK Siltron：</strong>
　　2019 年宣佈收購美國化學大廠杜邦（DuPont）的碳化硅晶圓事業。
　　值得注意的是，除了上述的美、韓供應商，<strong>法國材料供應商 Soitec 也正式入局，並且宣佈與半導體設備大廠應用材料合作。</strong>
　　應用材料與 Soitec 看好電動車、通信設備、工業應用等應用對於以碳化硅爲襯底的芯片需求蓬勃成長，因此攜手展開對新一代碳化硅襯底的研發。
　　<strong>Soitec 有一項專利技術 Smart Cut，目前已廣泛應用於絕緣硅 SOI 產品的生產</strong>，這次與應用材料的合作，將獲得應用材料在製程技術與生產設備方面的支持。
　　Soitec 全球戰略執行副總裁 Thomas Piliszczuk 表示，兩家公司將在 CEA-Leti 的襯底創新中心中增添一條碳化硅優化襯底的實驗生產線，目標是在<strong>2020 年上半年開始運行，下半年可推出使用 Soitec 的 Smart Cut 技術生產碳化硅晶圓片樣品。</strong>
　　Piliszczuk 進一步指出，在處理碳化硅的流程上，主要是採用 Smart Cut 技術將碳化硅晶圓體進行精準切割成超薄單晶碳化硅層，再將切割後的超薄單晶碳化硅層，放置在其他的材料之上，而形成了一個全新的結構。這樣的全新結構，與純的碳化硅的材料相比，可以有更好的電氣性能，並增加良率。
　　未來，<strong>碳化硅目標是實現與 IGBT 成本接近。</strong>IGBT 從 1990 年發展至今，中間 30 年經歷了 7 代技術，晶圓尺寸更從 4 吋一直擴大到 12 吋，晶片厚度從 300μm 降低到 60μm，成本也降到了原本的 5 分之 1。
　　由此可知，碳化硅之旅也同樣需要經歷一段不短的時間，才能讓成本與 IGBT 接近。
　　未來，<strong>碳化硅並不會完全取代 IGBT 或 MOSFET，因爲這些技術產品在開關特性、功耗、成本等方面都不相同，硅與碳化硅元件會同時並存發展。</strong>
　　碳化硅對於 Soitec 而言，是全新業務。除此之外，<strong>Soitec 也廣泛提供各種材料，像是 FD-SOI 晶圓、壓電絕緣材料 POI、硅光子（Silicon Photonics）、氮化鎵 GaN 等材料。</strong>
　　FD-SOI 技術很多人對於並不陌生，因爲 GlobalFoundries、三星、意法半導體已經推展該技術多年，<strong>FD-SOI 技術更被視爲是臺積電、英特爾引領的 FinFET 技術之外的另一個條路線。</strong>
　　<strong>FD-SOI 技術非常適合於邊緣計算和 AIOT（人工智能和物聯網結合）領域的芯片，市面上已經有很多公司是採用 FD-SOI 技術生產相關芯片，包括瑞芯微電子、NXP 等。</strong>
　　<strong>在壓電絕緣材料 POI 方面，主要用於 5G 手機上需要的射頻濾波器上</strong>，也是因應 5G 時代到臨下，頻譜越來越密集，需要手機前端的射頻模塊來進行過濾頻率信號。
　　在<strong>硅光子（Silicon Photonics）</strong>方面，主要是用於數據中心及高速計算的硅光子（Silicon Photonics）。
　　在氮化鎵 GaN 方面，<strong>Soitec 在 2019 年 6 月收購了一家名字叫做 EpiGaN 的公司，正式跨入 GaN 材料領域</strong>，是一家在 GaN 領域非常領先的小型公司，未來能提供 5G 的基礎設施。
　　再者，Soitec 在收購 EpiGaN 後，已經推出了兩款產品，分別爲硅基氮化鎵和碳化硅基氮化鎵。
　　針對獨有的 Smart Cut 技術，<strong>目前 Soitec 有三種產品使用 Smart Cut 技術，分別爲絕緣硅 SOI 產品、新型壓電產品 POI、碳化硅 SiC</strong>，其實氮化鎵也可以使用 Smart Cut 技術，目前是處於研究階段。
　　<strong>Soitec 也積極展開在中國的佈局，2019 年與上海新傲科技強化合作，上海廠的 200mm SOI 晶圓年產量將從年產 180,000 片提升至 360,000 片，新增產能主要針對車用領域所需要的 RF-SOI 與功率 Power-SOI 元件等，雙方合作模式是由新傲負責 SOI 晶圓製造，Soitec 則管理全球產品銷售。</strong>
　　對於碳化硅的晶圓來說，最爲廣泛的是 6 英寸尺寸，Soitec 預測在 2024 年，全球總體有效市場（TAM）對於碳化硅晶圓的需求將會達到每年 400 萬～500 萬片。
　　<strong>在碳化硅硅片製造商方面，主要的功率半導體 IDM 廠商包括英飛凌、ON Semiconductor、意法半導體、ROHM、Mitsubishi Electrics 等</strong>，都提供市場碳化硅硅片與 SiC Module。
　　Soitec 希望能是 2020 年上半年實現基於 Smart CutTM 技術的碳化硅襯底樣品，第二個目標是 2021 年上半年，能使用 Smart Cut 的技術完成碳化硅產品的量產。