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Cree谋转型发展碳化矽 独霸SiC晶圆市场
全球碳化矽业者技术与策略观察专栏(一)

【作者: 約書亞】2021年07月14日 星期三

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过去半导体材料主要以第一代的矽(Si)晶圆的生产制造为主。然而,现今随着5G通信、新能源汽车等应用市场的强势崛起,现有以矽为基础(Si-based)的半导体器件,因材料的物理特性已达极限,无法再提升电量、降低热损、提升速度,因此需朝向其他更能发挥电子传输效率与低能耗的材料演进,而具备高能效、低能耗的第三代宽能隙(Wide Band Gap;WBG)半导体就在此背景之下因应而生。


相较於第一代半导体材料的矽(Si)与第二代半导体材料的砷化??(GaAs),碳化矽(SiC)与氮化??(GaN)等第三代宽能隙半导体材料拥有高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性,更适合5G基地台、电动车充电桩等应用领域。


碳化矽市场规模不断增长

迎向2021年,在国际大厂争相投入研发之下,全球碳化矽功率元件市场规模不断扩大,根据IHS Markit资料,2018年碳化矽功率元件市场规模约3.9亿美元,2019年增长至6.1亿美元,预计到2025年碳化矽功率元件的市场规模将可达到30亿美元(图1),从2019至2025这6年的复合年增率CAGR为30.4%。


而碳化矽终端应用以电动车最具成长潜力,车厂渐提高碳化矽元件采用量,预估至2025年占车载功率半导体市场比重将达25%。这也促使Cree Inc. (简称Cree)自2018年起开始从LED领域进行业务转型,逐渐将发展重心从LED本业转移到第三代半导体碳化矽材料上。



图一 : 全球碳化矽功率元件市场规模(亿美元)。(source:IHS Markit)
图一 : 全球碳化矽功率元件市场规模(亿美元)。(source:IHS Markit)

份额(市占率)高达六成以上(图二),独霸市场,堪称为第三代宽能隙半导体的绝对龙头。半导体产业的趋势,可从Cree身上映射出未来半导体发展的身影,一点也不为过。这几年,Cree对其业务进行调整,其中碳化矽是一个重点,用以构建他们在宽能隙半导体业务上的影响力。


图二 : 2018年Cree(Wolfspeed)在碳化矽晶圆的市场份额。(source:Yole Developpement)
图二 : 2018年Cree(Wolfspeed)在碳化矽晶圆的市场份额。(source:Yole Developpement)

Cree出售LED业务谋转型 更名Wolfspeed具指标意义

Cree近年受中国厂商低价策略竞争以及LED照明市场成长趋缓的影响,旗下LED照明业务表现欠隹,甚至在2020年出现大幅下滑,遂相继於2019及2020年断然将旗下照明和LED业务以约3亿美元价格分别出售给美国Ideal Industries公司和SMART Global Holdings(SGH)。Cree出售LED业务谋转型的决策,可谓明智果决、当断则断。


不仅如此,2017年2月Cree董事长兼首席执行长Chuck Swoboda宣布终止原先预期将Wolfspeed业务出售给英飞凌的出售案,反而成为业绩增长的转折点,从 2016 年到 2020 年,高毛利的Wolfspeed营收占比一路从11%增长到超过50%,成为Cree的重点业务。Cree更在2021年初於官方微信发布耸动标题,声称Cree将於2021年年底正式更名为Wolfspeed。


第三代宽能矽半导体已逐渐是Cree业务组成中营收的主力,旗下Wolfspeed的碳化矽(SiC)业务正是第三代半导体的关键元件,Cree 更名的惊人讯息,表明了其坚决迈向第三代半导体的决心。


Cree是化合物半导体产业发展的领头羊,在碳化矽(SiC)基底和外延磊晶领域具有先行者的优势,这次更名可谓是在全球半导体强国转型旅程中设立了一个重要里程碑,引领产业从矽到碳化矽的转变。根据方正证券日前发布的全球半导体涨幅排名中,Cree以2020年涨幅高达 129%的成绩名列第二[1],作为第三代半导体的龙头企业,Cree的大幅上涨隐含着半导体的发展趋势,正式迈入第三代化合物半导体产业的时代即将来到。


Cree专利技术解析

碳化矽晶种升华成长技术

为克服碳化矽之同轴及离轴晶种升华成长技术不足之处,Cree提出一种碳化矽晶种升华方法[2],在一实施态样中,包含在碳化矽晶种与碳化矽源组合物(SiC source composition)之间建立主要成长温度梯度(major growth temperature gradient);在自(0001)面离轴(off-axis)约1度至10度之间之晶种上呈现一成长表面(growth surface);且将该晶种定位於晶种固持器(seed holder)上,成长表面关於主要成长梯度成约70度至89.5度之间的角度,藉此在结晶中存在径向温度梯度(radial temperature gradient),以避免发生碳化矽结晶中因滑动缺陷(split defects)或基面错位(basal plane dislocation)而形成之热应力问题。


异质磊晶技术(控制磊晶层厚度以兼顾差排密度与隔离电压)

对於高功率或高频率应用,GaN展现极隹之电子转移性质,可使其以高频率运作。近来在碳化矽(SiC)基板上使用异质磊晶成长制造第三族氮化物半导体装置。


然而,在碳化矽基板上产生第三族氮化磊晶层(诸如GaN层)存在着控制GaN磊晶层之厚度对於差排密度与材料之电学特性(如隔离电压)有相斥不利、无法兼得的问题,从而Cree提出一种半导体装置结构,包含碳化矽(SiC)基板及其上方之第三族氮化磊晶层,且该第三族氮化磊晶层具有一足以赋予其小於4×108 cm-2之差排密度且高达约20微米之厚度。


此外,该第三族氮化磊晶层可进一步添加过渡金属掺杂剂,包括铁(Fe)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、镍(Ni)及其混合物,以增加磊晶层之隔离电压到至少约50 V。


外延沉积制程

一般将表面形态缺陷视为由材料中之结晶缺陷所导致。因此,当一外延层在基板上生长时,其晶体生长之物理性质将直接影响表面形态缺陷之成因,例如胡萝卜缺陷(carrot defects),其存在增加了逆向泄漏电流。


为了减少或最小化在碳化矽外延薄膜中所发现之胡萝卜缺陷的浓度,Cree提出一种外延沉积制程[3],涉及将碳化矽外延薄膜沉积於基板上并产生外延结构的方法,包括中断该外延生长过程、蚀刻该所生长的层,并再生长第二外延碳化矽层,且可将生长中断/蚀刻/再生长重复多次以终止胡萝卜缺陷。


此外,Cree亦提出利用该外延沉积制程所制造的半导体结构[4],包括离轴碳化矽基板、该基板上之碳化矽外延层,以及在该基板与该外延层间之一介面附近具有一成核点之胡萝卜缺陷,其中该胡萝卜缺陷终止於该外延层内。因胡萝卜缺陷的终止,随後产生的外延层可具有较低的缺陷密度。


签订碳化矽材料长期供货合约 推动Cree成长

Cree旗下Wolfspeed是全球领先的碳化矽晶圆和外延晶圆制造商,其整合了从SiC衬底到模组的全产业链生产环节,在市场占据主导地位。近年受电动车新兴产业的崛起,使得碳化矽晶圆供不应求,中下游半导体器件巨头纷纷开始寻求与Cree签订长期供货协议,包括2018年2月Cree与英飞凌达成价值超过1亿美元的SiC晶圆长期供应协议,将向英飞凌长期供应150毫米(6寸)Wolfspeed碳化矽(SiC)晶圆。


英飞凌首席执行官Reinhard Ploss因此表示:「长期以来,我们一直认为Cree是一家强大而可靠的合作夥伴,拥有卓越的产业声誉(We have known Cree for a long time as a strong and reliable partner with an excellent industry reputation.)」[5]。


2019年1月意法半导体也与Cree达成2.5亿美元先进150毫米(6寸)Wolfspeed碳化矽(SiC)裸晶圆和外延晶圆合约[6],便是其中之二。该等长期供货协议的签订,将加速SiC在汽车和工业两大市场的商用。


Cree执行长Gregg Lowe表示,随着意法半导体、英飞凌等国际大厂的持续推进,SiC器件的大规模商用将越来越近。为支持半导体产业从矽趋向碳化矽的转型,Cree将不断扩大产能以满足持续增长的市场需求,特别是在工业和汽车应用领域。这种市场情况,推动了Cree的成长,可以预期Cree碳化矽晶圆长期供货合约的金额还会继续累加增长。


Cree独家和福斯合作碳化矽技术 加速发展电动车

根据美国商业资讯Business Wire 於2019年5月14日的报导,Cree被选为德国福斯汽车集团(Volkswagen Group)未来汽车供应链(Future Automotive Supply Tracks;FAST)计画的独家碳化矽合作夥伴。


FAST的合作夥伴是在其各自领域都表现得相当突出而与福斯汽车集团共同塑造汽车之未来的战略合作夥伴。FAST的目标是携手合作,以比以往更快的速度实施技术创新,并更高效、更有效地实现全球汽车专案。


该合作协定将「汽车工业从内燃机转向电动汽车」以及将「碳化矽化合物半导体器件应用於电动车」两个同时发生的革命联系起来,合作夥伴关系意味着碳化矽的使用将加速汽车工业向电动汽车的转型。(图三)。



图三 : Cree被选为德国福斯汽车集团(Volkswagen Group)未来汽车供应链(FAST)计画的独家碳化矽合作夥伴。
图三 : Cree被选为德国福斯汽车集团(Volkswagen Group)未来汽车供应链(FAST)计画的独家碳化矽合作夥伴。

扩产效益大 碳化矽产能增长30倍

目前全球仅有Cree能稳定量产6寸碳化矽基板。然而,在2019年5月7日Cree宣布将投资10亿美元,在公司美国总部北卡罗莱纳州达勒姆市兴建一座全球第一条200毫米(8寸)的碳化矽(SiC)晶圆生产工厂和一座材料大型工厂,以扩大其碳化矽产能,预计2024年完工[7]。


此次大举投资扩大产能,堪称Cree史上对第三代宽能矽半导体最大的资本投资,不仅使碳化矽晶圆制造产能及碳化矽材料生产能力增长30倍,并建设最先进的汽车合格生产设施,也将加速从矽向碳化矽的产业转型,满足2024年之前电动汽车、5G等预期新兴市场增长的需求。


此外,此扩产计画还创造了校园高科技就业机会,制定四年制学院培训计划,为新设施提供长期、高质量的就业和成长机会做好准备,特别在人才培育企业社会责任上发挥了正向影响力。


叁考资料


[1]半导体厂商暴涨背後的暗潮涌动,2021年1月8日,https://read01.com/zh-tw/jE0PNK8.html#.YLngW_kzY2w


[2] Seed and seedholder combinations for high quality growth of large silicon carbide single crystals, 2007 March 20, US Patent US7192482B2.


[3] Low dislocation density group III nitride layers on silicon carbide substrates and methods of making the same, 2016 May 3, US Patent US9331192B2.


[4] Reduction of carrot defects in silicon carbide epitaxy, 2007 June 12, US Patent US7230274B2.


[5] Cree, Inc. Announces Long-Term Silicon Carbide Wafer Supply Agreement with Infineon, 2018 February 26, https://www.cree.com/news-events/news/article/cree-inc-announces-long-term-silicon-carbide-wafer-supply-agreement-with-infineon


[6] Cree and STMicroelectronics Announce Multi-Year Silicon Carbide Wafer Supply Agreement, 2019 January 7, https://www.cree.com/news-events/news/article/cree-and-stmicroelectronics-announce-multi-year-silicon-carbide-wafer-supply-agreement


[7] Cree to Invest $1 Billion to Expand Silicon Carbide Capacity, 2019 May 7, Cree to Invest $1 Billion to Expand Silicon Carbide Capacity


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