碳化硅投资大跃进！国内生态链疾行
无论是国内还是全球，近三年对碳化硅领域的投资都超过了过去20年的总和。
来源：21tech（News-21）
作者：骆轶琪
编辑：张伟贤 卢陶然
图源：视觉中国
2022年，碳化硅（SiC）领域的扩产和收并购动作，是全球性现象。无论是沉淀相对深厚的Wolfspeed和意法半导体，还是国内产业链公司，都在积极推进建厂、验证等工作。
这背后是以新能源车为代表的需求支撑，尤其是特斯拉积极采用碳化硅功率器件替换硅基功率器件，给市场应用带来更大信心。
在广州南沙，碳化硅产业生态链正在不断完善。半导体器件方面，有芯粤能、芯聚能、南砂晶圆、联晶；造车新势力方面，有广汽、小马智行等产业生态角色。
相关公司落地动作迅速。前不久，广东芯粤能半导体有限公司（下称“芯粤能”）碳化硅芯片制造项目洁净室全面启用，标志着公司项目土建施工进入尾声。目前正在按计划进行工艺设备的陆续搬入和调试，为2023年初项目试投产做好准备。
芯粤能总经理徐伟接受21世纪经济报道记者采访时指出，“芯粤能定位碳化硅功率器件制造企业，看起来有些超前，但这是基于对产业发展的预测进行了卡位。”他表示，现在6英寸产线不能走原来的小作坊模式，否则将跟不上形势。就像过去6英寸碳化硅晶圆刚起步时，产业界还没那么有底，此前Cree（现已更名Wolfspeed）差点出售这项业务。要感谢特斯拉让局势出现变化。
在国内双碳战略的驱动下，新能源汽车产业正高速发展，而这正是碳化硅目前最大且成长最快的应用市场。南沙产业集聚优势的加持，有助于加快碳化硅产业生态的形成和完善。
深度融合
半导体行业的发展历史中，曾经历过产业大融合到产业分工的不同发展阶段。20世纪80年代台积电率先把晶圆代工业务独立运营，开启了半导体行业的Foundry时代，形成持续至今且不断优化的半导体产业大分工态势。
在碳化硅领域，这种规律或许同样适用。据介绍，芯粤能定位专注于车规级、具备规模化产业集聚及全产业链配套能力的开放的碳化硅功率芯片制造企业，是“广东强芯”重点工程，也被广东省列为重点建设项目。
徐伟告诉记者，芯粤能项目一期年产能为24万片6英寸碳化硅晶圆芯片，虽与个别车企有股权关系，但公司的定位仍是开放式的芯片加工平台。
洁净室全面启用仪式现场
图源：芯粤能提供
目前全球范围内的大型碳化硅企业超九成是以IDM模式为主，反观国内芯片设计类公司生态活跃，即便是有自建工厂，但自主生产的比重不高。这正是建设独立的碳化硅器件制造企业的需求所在。
徐伟向记者分析，在传统的燃油车时代，如果是纯粹晶圆代工厂，其距离车企应用端之间还有较多层级，但新能源汽车从结构到设计有较大差异，其针对性的器件设计节点会需要与Tier 1厂商（直供车厂的供应商）距离更近。“如今众多车企也纷纷意识到，芯片端需要与Tier 1厂商足够接近，才能更好地满足车企的需求。因此从行业分工角度看，碳化硅的产业链会越来越趋向于硅基集成电路的发展路径，其中会有更多可供借鉴和预测的节点。”
碳化硅市场中的大厂都在积极加快发展脚步，无疑为行业未来发展带来进一步的确定性。“据我们了解，无论是国内还是全球趋势中，近三年对碳化硅领域的投资都超过了过去20年的总和。”徐伟进一步表示，这显示出该领域需要花大决心探索，虽然目前国内无论是器件设计还是芯片加工距离全球最先进的工艺还有一段距离，但路途并不算遥远。
芯粤能CTO相奇则对记者分析，在硅基市场强调DTCO（设计技术协同优化）模式，也即设计、技术等之间要协调、优化。这就要求制造厂商和设计单位密切配合，比如台积电与苹果、AMD等目前采用的模式，那么放在功率器件领域，将遵循同样的路径。在越来越多采用DTCO模式后，多个产业环节之间可以密切联通，最终在系统层面反馈出更优结果，这在碳化硅器件领域同样可行。
相奇介绍，芯粤能的核心成员都有碳化硅实操经验，当前正积极与设备厂商合作，验证车规级相关器件设计和工艺细节。“芯粤能技术路线图从成熟的SBD（肖特基二极管）和平面MOSFET向业界前沿的沟槽MOSFET演进。2022年底前完成平面MOSFET工艺优化及沟槽MOSFET BKM0.5的开发。”
据介绍，该公司技术团队目前的主要任务是，确保各工艺模块的能力满足实现主要目标功率器件结构的需求，工艺均匀性和稳定性满足大规模量产高产出和高良率的需求，工艺集成实现器件性能、可靠性、良率和成本具备市场竞争力。另一个主要任务是，进一步提高器件的性能和可靠性，进一步的工艺开发包括应用新工艺、新栅介质材料以降低界面态密度，从而提高沟道迁移率，同时满足可靠性要求。
生态起势
在半导体行业通常有一个惯例，即头部厂商一旦在某一个工艺节点形成成熟的能力之后，就会采取折价销售的方式，与后来者竞争。目前在碳化硅领域，头部晶圆厂Wolfspeed和意法半导体均在积极推进8英寸晶圆的规模商用，但国内主要集中在6英寸衬底的攻关，因此也要积极为将来可能出现的类似竞争态势做准备。
“国内只有在长晶、切、磨、抛等技术方面有更好储备，才能更好应对国际竞争环境。”相奇分析认为，目前国内在发展碳化硅领域，面临的较大挑战来自于产业生态还不够完备。比如大尺寸衬底还需突破、核心设备和材料中仍有部分需依赖进口、缺乏大规模的生产平台等。
“集成电路发展到成熟阶段后，需要通过比拼规模带来一定话语权，对效率提升也有利。我们认为公司一开始就从规模化、高品质、高可靠性产品切入会更合适。”相奇分析，在当前面向6英寸碳化硅产业发展进程中，国内胜在产业链相对完整，在材料、设备、器件、封测等领域都有企业布局，这会比国外厂商有更大优势。将来对标全球一流大厂时，国内产业必须回归核心的碳化硅晶圆代工能力，才能在成本、性能和良率等方面更有竞争力。
当然同时也要注意产业生态的培养。比如芯片制造企业积极采用国内供应商提供的设备和材料，寻求突破衬底材料短板，国内车厂积极上车实验等。由此，才能让车企的供应链稳定性有更好保障。
目前项目建设情况
图源：芯粤能提供
到2023年5月，芯粤能可以提供由封装厂验证可上车的产品。这也一定程度受益于公司目前的股权结构，由于大股东中有整车厂，由此可以更早导入验证环节，另一大股东芯聚能的碳化硅模组此前已通过车规验证，又可以进一步加速产品上车进度。乐观预计到2024年初，碳化硅相关器件可为整车提供批量上车的产品，并行有验证周期较短的工控、消费类器件陆续推出。
有趣的是，虽然看起来化合物半导体跟硅基为不同材料，但不少此领域厂商依然对硅基市场有深厚积淀的人才有迫切需求。
徐伟对记者分析，在硅基领域8英寸、12英寸器件制造过程中积累的方法、新材料应用等思路，都可以在碳化硅器件探索中找到突破口。因为本质上，碳化硅、氮化镓是新型的衬底材料，芯片的工艺原理和器件结构与硅芯片基本一致，只是材料不同会导致一些特殊性能和特殊工艺的差异，关于碳化硅器件制造工艺的know-how、设计形态等方面也需要探索。“跨界有好处，当然也会碰壁。碳化硅行业急需从实验室或作坊式的小规模生产，转化到大规模自动化生产。先进的硅基芯片大规模自动化生产经验的成功应用尤其重要。”
应用扩围
当然，若以单个器件来看，碳化硅的应用成本偏高，也是目前尚未能够大规模应用的原因之一。
在推动降低碳化硅应用成本方面，相奇认为，芯粤能是器件制造企业，将推动工艺技术的提升，通过降低器件导通电阻及芯片面积，提高单晶圆产出；同时以规模化、自动化制造来提高良率、降低成本。“芯粤能将与材料厂商合作，及时地向材料厂商反馈缺陷对良率的影响，帮助材料厂商更有效地、有针对性地降低致命缺陷。”
此外他分析，成本的确是应用端考虑的一个重要要素，但不能忽视的是，碳化硅器件应用在新能源车后，将为整车带来系统成本的显著下降。以特斯拉开始采用全碳化硅器件的车型来看，续航增加、电池利用率提高等，都在整体系统层面上降低了成本，带来了更好的使用体验。
“芯粤能以碳化硅车规级产品切入应用是经过慎重考虑的，车规级产品对性能和电气指标会有更高的要求，但车企对成本的敏感度会低于工控和消费类碳化硅器件。”他分析道。
特斯拉的引领示范效果让车企加快了对碳化硅功率器件的接受速度，除此之外，储能、光伏等领域也是对碳化硅功率器件需求较大的应用市场。
徐伟指出，在当前备受瞩目的化合物半导体中，碳化硅和氮化镓的应用场景分野越来越清晰。高功率、高频领域将更偏向于采用氮化镓器件，耐高温、高压领域更适合碳化硅器件。
据介绍，目前芯粤能主要聚焦在电压1700V以下的车规级碳化硅功率器件，并密切配合国内厂商的需求推进应用落地。芯粤能器件专家已经研发出1700V以内的碳化硅二极管及MOSFET，且经过了可靠性验证。技术团队已掌握1700V以内的碳化硅二极管及平面栅MOSFET的工艺流程和技术细节。
CINNO Research半导体事业部总经理Elvis Hsu向记者表示，SiC MOSFET相较于硅基MOSFET，其优势在于低电阻、低损耗、耐高温、耐高压尤其是1200V以上，切换速度更快，以及具有更小的芯片面积。无论是在电机驱动、车载充电、或电源转换及充电系统，均比硅基MOSFET有强大优势。碳化硅功率器件主要应用领域包含电动汽车、电力供应、光伏、以及航天军工等，而中国是全球最大的电动汽车市场，已成为SiC器件市场增长的主要驱动力，随着SiC产能扩张出量，成本得以有效降低，势必加速在新能源汽车的渗透率。
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