了解一下SiC龙头企业—Cree的秘密

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。

几种半导体材料的核心指标对比（当然，表中缺乏一个核心的要素——产业化成本）：

资料来源：赛迪智库

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。

资料来源：滴水研究

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。

资料来源：滴水研究

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：

资料来源：Yole

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。如下图所示：

图片来源：汽车电子设计

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。

资料来源：yole

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。如下图：

资料来源：赛迪智库

Infineon在其公开资料中，对这个逻辑也有一些说明，如下：

资料来源：Infineon

资料来源：Infineon

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

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• 器件——高成本、产线、长期可靠性、封装和可靠的供应链关系

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• 系统/方案——外围配套和应用生态

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资料来源：Yole

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。在资金投入方面，2019财年其很大一部分的资本投入，都是用于SiC。II-VI对其每一个SiC材料工厂都有一个量产改进计划，其核心在于最大程度地实现持续的产量改进，计划在未来18到24个月内将产能翻番。结合和下游客户的沟通和紧密联系得到的反馈，II-VI方面认为市场方面明显地低估了对SiC衬底的需求。此外，在下游需求的锁定方面，和Cree类似，II-VI绝大部分的SiC衬底需求都是长期合同。

日本SiC外延的领导厂商昭和电工近两年也动作频密，在连续4次宣布扩张其SiC外延产能后，其SiC外延产能从最初的1500片/月提升至2019年Q1的9000片/月。而位于台湾的外延厂商嘉晶其2018年的sic外延产能为4寸 1500片/月，计划在2019年新增6寸 1000片/月的产能。

一个产业发展的动力机制是非常复杂的，不过底层的几个要素可以归纳为：成本（产能）、价格（需求）、性能、应用和最终出海口。这里对SiC的产业动力做一个比较粗陋的简化（性能上的逻辑在上面已经有了阐述，这里就不增加进来），如下图所示：

资料来源：滴水研究

从上游材料厂商的动作来看，接下来一轮的产业发展的发起点，他们已经或者意图去拧动钥匙了——不论这里面很多的产能是否已经兑现，一个声明也是能起到类似的效果：对于产业里的玩家来说，Cree这样产业地位的公司的声明，你是信啊，还是不信呢？

当然后续的动力传导中，会有很多很细节的问题，这些我们也会持续的跟踪和研究。

材料厂商并不是盲目的扩张产能——这点从上面对他们的公开说明的整理中也可以感受到，一个是他们在手的很多是长期协议，一个是他们感受到的产业动能比很多人士认为的要强（虽然有可能这也是他们的一种手段）。接下来我们也整理下几个SiC的器件巨头的一些公开资料，梳理下它们对SiC产业动能的观点。

首先是STMicroelectronics 2019财年Q1的 Earnings Call Transcript：

“Then about silicon carbide, so our revenue target for 2019 is to be about US $200 million so to double the revenue addressing MOSFET, but also in certain extent diodes. Mainly, this revenue will come from our engagement in our main customer. But important to say, again, and to share with you that we are already engaged with 30 important programs with various customers across the various region in the world to address both electrification of the car and industrial end market. But early in 2019, the main part of our revenue will be linked to our already engage main customer.”

ST 2019财年对碳化硅器件的销售收入目标是约2亿美元，意味着MOSFET/二极管的收入相比2018年增加一倍。这部分收入目前还是由主要客户（tesla）支撑。但ST已经和下游客户有约30个重大项目在进行。

“For Silicon Carbide, we announced the agreement to acquire the wafer manufacturer Norstel, on top of the multi-year supply agreement with Cree we already announced......In Q1, we also started to provide global carmakers with samples of our ACEPACK Drive module with SiC embedded.”

ST收购了晶圆制造商Norstel，和Cree达成了多年的供货协议。且开始为全球汽车制造商提供采用SiC嵌入式ACEPACK驱动模块的样品。

然后我们来看看On Semi 2018财年Q3的Earnings Call Transcript：

“We recorded our first silicon carbide revenue from automotive end markets in the third quarter. We are actively engaged with leading global automotive OEMs on many silicon carbide projects. We expect silicon carbide will be a significant driver of our automotive content increase, driven by electrification of the drive train. We expect to see strong acceleration in our automotive silicon carbide revenue for foreseeable future.”

On Semi2018财年Q3在汽车终端市场收获了首笔碳化硅收入，正积极与全球领先的汽车原始设备制造商合作开展许多碳化硅项目。预计碳化硅将成为On semi汽车业务的重要推动力，碳化硅收入将大幅增长。

“Capacity utilization in third quarter was in the mid to high 80s. Expect that to be similar, maybe coming down slightly in the fourth quarter. Then silicon carbide, we are outsourcing the raw wafers, we have long term agreements on that front. We do internally our own raw wafers for regular silicon, and we talked about that several times that we are increasing our capacity to serve more and be less dependent on these input costs, but not on internal--not on the silicon carbide right now....The production based on the capital investments we made this year will get us to about 50% internal supply, and I don’t see that shifting significantly in 2019.”

On Semi在碳化硅晶圆方面有和合作伙伴的长期协议，这点不同于硅晶圆。目前在SiC产品方面更多的考虑是增加服务能力并且减少输入成本，外包是一个合适的选择。内部供应量约50％，2019财年这一变化不大。

“We are not giving specifics on that yet, but as I mentioned, in total silicon carbide would be in the tens of millions this year, ramping multiples each year.”

On Semi 2018财年碳化硅的总量将达到数千万，每年都会增加数倍。

接下来，我们整理下Infineon 2019财年Q1 的Earnings Call Transcript slide：

预计Infineon SiC器件的销售收入占比将从2018年的1%->2025年的20%。从单一的器件供应发展成为多模块供应：

资料来源：Infineon

Infineon的SiC解决方案在汽车行业方面的进展和计划（2018->2020），从充电模块到主变的渗透：

资料来源：Infineon

SiC功率器件在EV充电系统中的应用和渗透率预测：

资料来源：Infineon

“So Silicon Carbide itself is still young and ramping for us. We're talking as I mentioned in the last call tens of millions last year, ramping to hundreds of millions in the next couple of years. So, it's still pretty early in that. We did see our first usage in EV automobiles for Silicon Carbide in both third and fourth quarters. I'm expecting EV to ramp quite nicely with all of our related products this year. I don't have an exact growth number but it's certainly going to be very high-double-digit numbers.”

对Infineon而言，SiC整体的定位还是属于比较早期——空间正在从每年数千万美金到每年几亿美金发展变化。在2019财年的H2，预计Infineon的SiC产品在电动汽车的应用会开始突破。总体的判断是：碳化硅器件会高速增长。

最后，梳理下“超级出海口”丰田在SiC领域的布局：

作为2013年就建立了SiC专用的无尘间、2015年2月就发布了凯美瑞混合动力SiC原型车的老司机，丰田在2017年停止了其在sic领域的大部分宣传。很多产业内的朋友认为，这并不是丰田放弃了采用SiC，而是进入了量产化阶段的“潜伏模式”的证据。丰田目前的战略是将应用在大量出货的普瑞斯上的电动化技术，进一步扩展到其他车型。如果遵循这一方针的话，2020年左右上市的下一代普瑞斯中，应该就会采用新的SiC功率元件。

资料来源：Toyota

从这些巨头公开的一些资料来看，SiC的应用场景和趋势是比较明确的，但各家对SiC这块蛋糕也各有各的打算：Infineon作为功率半导体的擂主，其CoolSiC早在2016年就开始对外宣传，但从其行动上却没有大力跟进——既有可能是其SiC器件的成熟度欠佳，可靠性还待更长时间的检验，也有可能是权衡SiC器件对其传统强势Si基功率半导体业务的冲击。ST和On Semi的包袱要小很多，步子迈得也大一些。ST更多的考量是可能借助SiC来提升自己的份额，而On Semi的策略大概还是延续其过往在各个市场的老二策略——及时跟进，但不冒进。

不管产业中的玩家会怎么博弈，也尽管SiC功率器件还是有它自己各种各样的问题，SiC器件的应用爆发的节点，很有可能就在接下来的一两年内。

对于Cree，第三代半导体发展的路上，它在最重要的关卡上都做了布局——在SiC材料端，它是毋庸置疑的霸主。在SiC功率器件方面，它也是先驱。不过我认为它应该优先甚至全力巩固其在材料端的领先地位和护城河——器件会是一个大市场，但相比于功率半导体巨头而言，Cree并没有优势，且随着未来SiC领域的发展，产业分工会更加明细。长期的竞争优劣势也会更加明显。

当然，在GaN这一块业务上，可能Cree会面对不同的路径？在最后一篇Cree的分析文章中，我们对此再来分析。祝各位看官一切顺利。