SiC作为材料在19世纪就被发现了，随后的一个世纪里，SiC由于其硬度高而广泛在机械加工和冶炼中得到运用，主要用在功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料这几个领域。还有就是作为一种珠宝――莫桑钻――而推广。

虽然早在1907年就诞生了第一只SiC二极管，但由于SiC本身结构的多变性，SiC的产业化晶体生长的探索之路持续了整个20世纪，并至今仍在不断探索和完善。作为一种宽带隙半导体，与传统硅基器件相比，SiC的击穿场强是传统硅基器件的10倍，导热系数是传统硅基器件的3倍，非常适合于高压应用。SiC元器件能够实现更低的导通电阻，更高的开关速度，适应更高温的工作环境。

SiC功率器件的产业链条包括：衬底->外延->器件（设计，制造，封测）->应用和方案->终端产品应用。

衬底和外延属于SiC产业的上游环节，作为支撑整个产业发展的材料环节，不论是从最终器件的性能还是成本因素来看，其重要性怎么强调都不过分。

Cree作为整个产业发展的先行者和领头羊，在衬底和外延领域都有着绝对的领军优势――市占率在50%左右。近两年更是“一片难求”。对于下游的器件巨头而言，保障供应最好的方式，就是和Cree签订长期供货协议。Cree目前的SiC材料长期供货合同的金额已经超过5亿美金，预计这个数字还会继续快速地增加――这种模式对于这个产业的发展而言，会起到很大的促进作用，这个在后面阐述产业发展动力的时候，再来详述。

除了Cree外，II-VI、Dow Corning、Rohm、昭和电工是主要的玩家。它们一起构成了SiC材料行业格局的基本生态，它们的动向也会对整个SiC产业产生重大影响。

作为全球最大的半导体器件的主场战队，国内的SiC材料企业发展近两年也非常迅速。得益于产业链各个环节的相互支持和推动，衬底端的国内供应商已经能够大批量地提供比较好的4寸衬底，6寸片的进化也在不断加速。外延方面，国内的企业经过多年的工艺积累和优化，有些已经基本和国外巨头处于同一集团，正面PK也不落下风。材料端的良好进展，对于国内SiC产业的发展而言，是至关重要的。

材料设备方面，由于SiC的衬底材料生长的独特性，几家衬底巨头，包括国内的一些衬底厂商，很多都是自研自产衬底炉子，这也进一步拉高了进入衬底行业的难度――国外衬底巨头基本上不对外卖炉子，并且衬底生长的品质把控，有很多的know how是归集到衬底炉上面的。

外延炉相对而言比较成熟，主要是使用MOCVD设备，设备玩家非常集中，AiXtron，LPE和VEECO。随着这个产业的持续火热和高预期，各家的产能扩张，使得外延炉现在一直也是供不应求的状态，交期一般也都得在半年以上。

器件方面，分成IDM厂商和Fabless厂商，这里主要是说明SiC功率器件，对于SiC衬底应用于LED和GaN器件的情况――LED就不做说明了，GaN器件在下篇中来详述。IDM厂商目前主要还是以国外的巨头为主，除了Cree外，大都是传统的功率半导体巨头，他们在传统功率半导体市场上的相对竞争和势力情况，也影响着SiC产业的发展节奏，这些在后面来详述。国内的IDM厂商近年来逐渐发力追赶（根据华润微电子披露的招股书，其将要投资6亿重点支持SiC和GaN，华润微在三代半的布局，应该还是IDM的方式），但差距还是比较大。

在Fabless-Foundry的模式里，独立的第三方fab厂，目前主要是X Fab和台湾汉磊。未来应该也会有新的国内玩家加入（不管是传统Si Fab厂四、六寸线的产能转换还是新设投资）。围绕着这些fab厂建立起来的Fabless-Foundry生态体系，逐渐也一定会成为SiC功率器件中很重要的力量。

下游的应用，SiC在电力电子和很多的传统高压高功率的功率半导体应用场景中，都有应用或潜在的应用空间。如下图所示：

EV是SiC功率器件/模块的一个大下游市场，在OBC、DC/DC和Traction Inverter上目前都已经开始应用。特斯拉是第一家在其Model 3中集成全SiC功率模块的车企，其工程设计部门直接与ST合作――得益于ST在功率半导体封装方面积累，目前这块也是ST在SiC业务中的绝大部分来源。特斯拉M3的主逆变器由24个1-in-1功率模块组成，这些模块组装在针翅式散热器上。

专业研究机构Yole Development对SiC功率器件的应用空间、容量和各自的占比做了预测（如下图），根据Yole的数据，未来几年SiC功率器件的CAGR将超过30%，新能源汽车和充电设施是其中增长最快的两个应用场景。

目前SiC二极管已经非常成熟了，国内外的玩家都能够量产。但在MOS等其他器件上，国内外差距较大。从应用的角度看，虽然绝大部分的应用客户都会有（或宣称有）对SiC器件的研究和方案，但坦白讲，对SiC器件的深刻理解、对其应力和边界的探索和研究，从应用端的角度来看，还是需要更长期的过程。

主要环节的产业化的难点

衬底的生产过程中的精确控制一直是个核心难点。SiC单晶生长温度高达2,300℃，且碳化硅只有“固-气”二相，相比于第一代、第二代半导体的“固-液-气”三相，控制起来要困难得多，没有相关技术进行参考借鉴。加上SiC的单晶结构差不多有200余种同分异构体，很多的晶型间的自由能差异非常小，这些都给其单晶的产业化生长制备带来了很大的挑战。直接的结果是，sic单晶体中的缺陷一直是核心要解决的问题。

外延方面，延续了衬底中缺陷控制的挑战――与衬底类似，其生长过程的精确控制也是难点。对生长过程的设计需要综合考虑器件需求、缺陷和过程控制等多方面因素。器件端的挑战主要在mos管及以上（从结构的复杂程度来看）器件上，比如器件栅氧层的制备，即便是功率器件的行业巨头，目前也还是需要不断去突破和完善。由于SiC材料的高硬度和高温加工环境，掺杂工艺上的挑战也比较大。

应用和方案的配套直接决定了SiC器件的推广应用，功率半导体目前大部分的应用环境还是以硅基产品为基础，需要根据SiC器件的特性和需求来设计其应用生态和配套的外围电路，因此应用和方案商的缺乏目前对于整个产业的发展而言，是一个亟需突破的焦点。

当然，最核心的问题还是绕不开：成本。

经常听到的一些观点是，碳化硅器件还是太贵了。从产业发展的规律看，只有当成本和价格跌破到某一些临界点后，其大规模的批量应用才会起来。这是一个动态且复杂的过程。

这里只从一些逻辑层面来解析下“成本”――支持SiC功率器件应用的人士，都会提到SiC功率器件的系统成本已经接近且极有潜力低于Si基器件的系统成本，因为SiC功率器件会使得配套的电路变得更简单和更少的单元，从而在系统层面来降低成本。

如果把这个逻辑再扩展一步：芯片其实也是电路系统，SiC功率器件芯片本身也得益于更高效的特质――更小的size。同样指标和性能的产品，一片SiCwafer上能够生产出来的die的数量，大概能抵得上6片Si Wafer的产出。

所以SiC功率器件的成本潜力及逻辑支撑，我们认为是站得住脚的。但这个逻辑同样要经受到实际应用情况的挑战和检验。一个是wafer成本以及每颗die的成本，比较合适的比较，是和12寸线的情况来比较，这个临界值大概会是12寸Si晶圆情况下的多少倍？一个是更小的size的正负效益都要考虑到，特别是结合后续的封装和应用，也许很多看在明面上的好处，其实是需要打折扣的。

对SiC产业化难点的总结如下：

・ 材料――高成本、缺陷密度（良率）、晶圆尺寸和晶圆供给

・ 器件――高成本、产线、长期可靠性、封装和可靠的供应链关系

・ 系统/方案――外围配套和应用生态

当然，任何新事物的推广，都是受到产业内在发展逻辑和动力推动而影响的，SiC功率器件也一样。接下来我们试着来分析下，对于SiC功率器件而言，现阶段其产业动能的情况如何？

SiC功率半导体产业的发展动力

首先来看近期一个比较爆炸的新闻：

5月7日，Cree宣布将投资10亿美金用来扩大SiC的产能，包括整合一座8寸晶圆厂（4.5亿投资用于North Fab，增建工厂和产能）和一座SiC材料工厂（4.5亿美金用于mega factory，剩下的1亿美金用于SiC其他业务的相关投入），将其SiC材料和晶圆制造的能力（相比于2017年的Q1）扩张30倍。

Cree对SiC未来（到2024年）的预期的信心究竟有多少，我们不得而知，但打出这样的牌，一是也符合Cree这两年一直对外释放的信号，比如在2019财年Q2的Earnings Call Transcript中，Cree预计2019财年的资本投入约2.2亿美金，大部分用于扩张wolfspeed的产能。即便是“......that may reduce our near-term Wolfspeed gross margin.”

二是Cree判断目前已经达到了采用电动汽车和采用碳化硅的转折点――汽车制造商已宣布计划在电气化项目上花费至少3000亿美元，他们对碳化硅的兴趣非常高。因此公司需要保证自己在sic领域的长期供应能力。从他们目前和下游签下的长期晶圆供应协议正在验证这些趋势，目前这些协议总额超过4.5亿美元，包括今年与STMicro签订的价值超过2.5亿美元的合约。

作为Cree在SiC材料上的强劲竞争对手，II-VI、Dow Corning、Rohm和昭和电工近年来也是持续在扩张产能。II-VI在其2019年Q3的电话会议中说明：2018年基于SiC的电力电子设备（包括用于电动车辆应用）增长了70％。整个SiC的应用市场正在加强，特别是在中国。

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