中国有希望超越竞争者的一个领域是复合半导体。具体来说，是用于电源和RF应用中的碳化硅和氮化镓。因此，大量资金正被注入这一领域。HDSC、GZSC 和Tankeblue（北京天科合达半导体股份有限公司）各自投资超过 1 亿美元建设 SiC 晶圆设施。
最大的项目是湖南三安半导体晶圆厂。它的目标是成为一个完全集成的SiC晶圆厂，从外延生长和切片一路到动力设备，封装和测试。该设施在第一阶段和第二阶段的造价高达 25 亿美元，每月总产量为 30，000片 6英寸的晶圆。母公司三安光电表示，第一阶段在不到一年的时间内建成，已经可以生产6″SiC晶圆。
三安IC技术营销和销售总监说“这是我们工厂的第一阶段，每月15，000晶圆，我们已经带来了一半的满容量生产能力…在第二阶段，我们将构建第一阶段的镜像。我们有一个积极的计划，使工厂全面运作 – 这意味着装备到2024年每月交付30，000片6寸晶圆”。
三安建成世界上最昂贵的碳化硅工厂
市场迎来爆发期，厂商加速扩产
碳化硅衬底材料是新的一代半导体材料，属于半导体产业的新兴和前沿发展方向之一，主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域。
全球市场上，6英寸SiC衬底已实现商业化，主流大厂也陆续推出8英寸样品。
根据公开信息，科锐能够批量供应4英寸至6英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底，且已成功研发并开始建设8英寸产品生产线。此外，今年7月27日，意法半导体就宣布，制造出首批8英寸SiC晶圆片。
当前，全球碳化硅半导体产业市场快速发展并已迎来爆发期，国际大厂纷纷加大投入实施扩产计划，如碳化硅国际标杆企业美国科锐公司于2019年宣布投资10亿美元扩产30倍之外，而美国贰陆公司、日本罗姆公司等也陆续公布了相应扩产计划。
继特斯拉在2017年采用SiC作为主逆变器后，电动汽车已成为SiC的杀手级应用， 约尔·德维洛普门特复合半导体和新兴基板团队首席分析师Ezgi Dogmus指出。Dogmus说：”从那时起，我们见证了几乎所有汽车制造商和一级汽车制造商对SiC的兴趣。比亚迪、丰田和现代都选择了SiC作为他们的电动汽车车型，奥迪、通用、牛和大众也有望效仿。””随着 SiC 解决方案的设计成功率显著提高，我们预测 2020 年至 2026 年SiC在电动汽车中应用的前景将十分光明。事实上，汽车市场无疑是最重要的驱动力，因此，到 2026 年，汽车市场将占据 SiC 器件市场份额的 60% 以上。
除了电动汽车应用，Dogmus 还看到了在充电基础设施中采用 SiC 的趋势，即它提高了效率并缩小了系统尺寸。此外，预计SiC在2019年至2026年间在铁路、电机驱动和光伏发电等领域的复合年增长率将达到两位数。
此外，国内宽禁带半导体产业的政策落地和行业的快速发展吸引了诸多国内企业进入，如露笑科技、三安光电、天通股份等上市公司均已公告进入碳化硅领域；斯达半导3月宣布加码车规级SIC模组产线；而比亚迪半导体、闻泰科技、华润微等也有从事SiC器件，此外，天科合达、山东天岳等国内厂商也都走在扩产路上。
SiC市场细分和增长预测
SiC vs. GaN
在动力电子领域，SiC 比标准硅产品以及其他宽带状半导体（如氮化镓（GaN） 具有显著优势。
Dogmus 说：”硅 MOSFET 经历了渐进式增长和数十年的改进，并正在接近其理论性能的界限。”从历史上看，这些 MOSFET 产品已足够用于其目标应用。同时，创新的宽带隙材料（如 SiC 和 GaN）的性能超过硅基器件的性能，”Dogmus 说。”由于故障电压高、开关速度快、外形尺寸小，宽带隙材料是电力市场行业具有优势的候选材料。此外，它们允许减少每个系统的被动组件的数量，从而形成紧凑的设计。然而，与硅器件相比，这些材料仍然昂贵。
其他人也同意。英飞凌科技公司高压转换高级总监兼产品营销主管罗伯特·赫尔曼（Robert Hermann）表示，从高层来看，硅、碳化硅和氮化镓的定位非常简单。”与硅相比，碳化硅在高温、高功率和高开关频率的混合方面最强。这与主逆变器和车载充电的衍生系统成本降低相得益彰。
氮化镓是另一种主要的宽带隙技术，其效率更高，频率行为也更强。赫尔曼说：”与碳化硅相比，这两个因素将功率密度提升到更高的水平。但是，要释放这种优势，需要实现更大的系统更改。此外，还应提供互补半导体和被动器件产品。
每种工艺技术的优势
不过，目前，SiC在逆变器领域在电动汽车应用和大功率系统方面真正的竞争是硅，Yole的Dogmus说。”对于 SiC 来说，在更高的电压下，成本/性能比率具有吸引力。例如，在 800V 电池车辆中实施， 1，200V SiC器件将代表一个重大的市场机会。同时，氮化镓（GaN）将继续打入手机应用的快速充电市场。事实上，与 SiC 相比，GaN 的功率较低，成本效益更好。氮化镓（GaN）还将渗透到数据通信和电信电力市场，用于 3kW 以下的系统，以及 EV 应用中的 OBC 和直流转换器。
SiC应用的 时间表
SiC 的优势大于障碍
并非所有的测试和检查流程都已完全解决，汽车应用零缺陷的需求是所有新材料的最高标准。但许多半导体制造商认为，这些问题可以相对较快地克服，并且仍然非常看好电动汽车SiC芯片的前景。
Rohm半导体技术营销经理苏明表示：”虽然SiC电源二极管已在商业上使用多年，但SiC MOSFET是迅速改变SiC电源电子市场格局的游戏规则改变者。”最近市场增长的主要驱动力之一是电动汽车系统。自几年前SiC MOSFET技术首次应用于汽车牵引逆变器以来，SiC在能效和系统尺寸缩减方面比硅器件更具有优势，已被汽车行业广泛接受。
苏明说，今天，几乎所有的汽车原始设备制造商和电动汽车初创公司已经采用SiC或处于产品设计阶段，或者已经在他们的EV牵引逆变器和车载充电器使用SiC器件。”在燃料电池车辆中也采用了SIC装置。使用 SiC 的其他汽车功率转换器包括直流直流转换器，可将电池电压降低到 12V 或 48V，以及无线电池充电器。
在CO2排放等政府法规的推动下，欧盟和其他地区规定的碳排放限制，电动汽车正在经历一场巨大的繁荣。英飞凌的赫尔曼说：”人们强烈希望保护环境，同时仍然享受着有趣的驾驶体验，电动汽车也强调了这一点。”这意味着销量增加，走出一个大利基市场，进入汽车生产大众市场的未来，并为原始设备制造商施加更大的定价压力。在这种情况下，碳化硅（SiC）发挥着非常重要的作用，因为它支持了电动汽车应用的各种趋势。
这反过来又为原始设备制造商开辟了一长串新的选项，并为芯片制造商提供了同等数量的机会。
“碳化硅与 IGBT 相比的一个技术优势是更高的能源效率。这可以很好地说明主要的汽车逆变器，其中几个百分点直接转化为更大的续航范围或和/或较小的电池尺寸，”赫尔曼说。”随着电力损失的减少，热管理得到简化。这意味着，尽管纯功率半导体成本高于 IGBT，但 SiC 可显著降低系统成本。对于电动汽车购车者来说，配方很简单 – 更长的续航范围，成本更低。
SiC 的效率还可以转化为车辆内部的更多空间。”碳化硅可以通过另一种应用，即汽车车载充电，直接为更多的空间做出贡献，”他说。”为了增加电池续航里程，电池容量会增加。这意味着车载充电的功率水平需要提高，否则不可能在一夜之间为电池充满电。此外，还有越来越多的使用案例需要双向充电，如车辆到电网。如果没有设计和技术措施，车载充电器会变大，占用车内的现有空间。使用碳化硅，不仅能提高效率，还能实现更高的开关频率。这会导致较小的被动器件以及冷却工作量减少。事实上，我们相信碳化硅的功率密度可以比传统的硅基解决方案提高一倍，实现雄心勃勃的设计目标，并缩小车载充电器的尺寸。
汽车制造商正在转向800V直流总线，以增加车辆和各种应用的可用功率，而不扩大电气连接器的大小，这将增加不必要的重量和大小的EV。SiC 比硅更高效地用于这些应用，从而减少产生过多热量的损失。
STMicro电子电力晶体管 MACRO 部门的战略营销、创新和关键项目经理菲利波·迪乔瓦尼说：”由于这种电压，1，200V 的 SiC MOSFET 是适当的设计选择，而不是使用 650V，这将是 400V 电池和系统更合适的选择。”这意味着配备 SiC 的逆变器本质上效率更高，从而延长给定容量电池的行驶距离。此外，SiC 不太严格的冷却要求是另一个大优势。GaN 晶体管（或高电子移动晶体管、HEMT）也可用于高电压应用（如电动汽车中的牵引逆变器）的效率优势，但 SiC 比 GAN 效率更高，氮化镓（GaN） 具有横向结构，不允许像 SiC MOSFET 那样的垂直结构容易获得高压。
SiC 是下一代半导体的关键材料，为 SiC 电源开关设备提供技术优势，显著提高了电动汽车、电动汽车充电和能源基础设施的系统效率。”SIC 电源模块是一个受欢迎的市场需求，但 SiC 裸die部分的需求也在快速增长。
三安的项目推动长沙先进半导体产业壮大
当日，记者驱车来到位于长沙高新区的三安半导体产业园项目，老远就看到一幢偌大的单体建筑屹立在园区之内。
“这是我们项目最大的单体厂房，占地面积达23206平方米，建筑面积达52326平方米。”站在M2B碳化硅芯片厂房外，张洁指着这栋巨型建筑介绍道。
“为了满足半导体制造工艺需求，生产车间必须达到洁净车间的标准。”据项目工作人员介绍，通过在车间内设置新风系统，朝室内不断输送清洁空气，可以保持室内的正压，再通过广泛铺设的通风孔向外排气，从而保证车间的洁净度。
记者了解到，空气的洁净标准一般按照十级、百级、千级、万级、十万级……划分，数值越小，净化级别越高。普通公共场所杀菌消毒可参照三十万级标准，医院ICU病房杀菌消毒参照十万级标准，M2B芯片厂房则为百级标准，洁净程度远超医院手术室十万级标准。此外，在项目一期中的衬底、外延等单体厂房则至少是“千级”洁净度。 五大工艺助力三安跻身世界一流水平
2020年6月17日，湖南三安半导体产业园项目开工建设，历时11个月建设期，最高峰时段1500余人同步施工作业。2021年6月23日项目一期工程竣工点亮投产。
该项目具有很高的工艺水准。“长晶、衬底、外延、封装等五大核心工艺，助力三安半导体项目跻身世界一流水平。”张洁说道。
以长晶为例，碳化硅晶体生长的温度在2200摄氏度以上，且生长过程无法及时观测，同时碳化硅又有上百种晶态。“要在如此严苛的条件下，生长出大尺寸、无缺陷，且为同一晶态的晶体绝非易事。”张洁说。作为国内最早投入碳化硅晶体生长技术研发的企业之一，三安半导体在项目中使用了一种更成熟、更高生产效率的方法，能在相对苛刻的环境下，使生长的晶体达到行业领先标准。目前国产化的长晶炉在工作稳定性上已经优于进口设备。
作为第三代化合物半导体的“王牌材料”，碳化硅在业内也被称为“金刚砂”，其在功率器件上的性能无与伦比，特别是运用在新能源汽车、高铁的IGBT模块与白色家电的IPM模块中，可直接降低40%左右的功耗。
记者了解到，当项目达产后，“预计可实现年产值120亿元以上，并进一步带动上下游配套产业的腾飞，同时提供4500个直接就业岗位”。张洁表示，项目建成后，可有效解决目前国内高端碳化硅衬底、高端碳化硅功率芯片面临的“卡脖子”问题。
凭借本项目完整的碳化硅产业链布局和强大的制造平台，三安半导体将快速发展成为具有自主知识产权、掌握核心技术与行业话语权、具有重要国际影响的碳化硅材料与器件产业生产基地。同时，由于半导体产业链中，上游产业对于中、下游产业的放大效应，项目的进一步推进，也必将推动湖南、长沙先进半导体产业壮大。
