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Cree謀轉型發展碳化矽 獨霸SiC晶圓市場
全球碳化矽業者技術與策略觀察專欄(一)

【作者: 約書亞】   2021年07月14日 星期三

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過去半導體材料主要以第一代的矽(Si)晶圓的生產製造為主。然而,現今隨著5G通信、新能源汽車等應用市場的強勢崛起,現有以矽為基礎(Si-based)的半導體器件,因材料的物理特性已達極限,無法再提升電量、降低熱損、提升速度,因此需朝向其他更能發揮電子傳輸效率與低能耗的材料演進,而具備高能效、低能耗的第三代寬能隙(Wide Band Gap;WBG)半導體就在此背景之下因應而生。


相較於第一代半導體材料的矽(Si)與第二代半導體材料的砷化鎵(GaAs),碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)等第三代寬能隙半導體材料擁有高電子遷移率、直接能隙與寬能帶等特性,更適合5G基地台、電動車充電樁等應用領域。


碳化矽市場規模不斷增長

迎向2021年,在國際大廠爭相投入研發之下,全球碳化矽功率元件市場規模不斷擴大,根據IHS Markit資料,2018年碳化矽功率元件市場規模約3.9億美元,2019年增長至6.1億美元,預計到2025年碳化矽功率元件的市場規模將可達到30億美元(圖1),從2019至2025這6年的複合年增率CAGR為30.4%。


而碳化矽終端應用以電動車最具成長潛力,車廠漸提高碳化矽元件採用量,預估至2025年佔車載功率半導體市場比重將達25%。這也促使Cree Inc. (簡稱Cree)自2018年起開始從LED領域進行業務轉型,逐漸將發展重心從LED本業轉移到第三代半導體碳化矽材料上。



圖一 : 全球碳化矽功率元件市場規模(億美元)。(source:IHS Markit)
圖一 : 全球碳化矽功率元件市場規模(億美元)。(source:IHS Markit)

份額(市占率)高達六成以上(圖二),獨霸市場,堪稱為第三代寬能隙半導體的絕對龍頭。半導體產業的趨勢,可從Cree身上映射出未來半導體發展的身影,一點也不為過。這幾年,Cree對其業務進行調整,其中碳化矽是一個重點,用以構建他們在寬能隙半導體業務上的影響力。


圖二 : 2018年Cree(Wolfspeed)在碳化矽晶圓的市場份額。(source:Yole Developpement)
圖二 : 2018年Cree(Wolfspeed)在碳化矽晶圓的市場份額。(source:Yole Developpement)

Cree出售LED業務謀轉型 更名Wolfspeed具指標意義

Cree近年受中國廠商低價策略競爭以及LED照明市場成長趨緩的影響,旗下LED照明業務表現欠佳,甚至在2020年出現大幅下滑,遂相繼於2019及2020年斷然將旗下照明和LED業務以約3億美元價格分別出售給美國Ideal Industries公司和SMART Global Holdings(SGH)。Cree出售LED業務謀轉型的決策,可謂明智果決、當斷則斷。


不僅如此,2017年2月Cree董事長兼首席執行長Chuck Swoboda宣布終止原先預期將Wolfspeed業務出售給英飛凌的出售案,反而成為業績增長的轉折點,從 2016 年到 2020 年,高毛利的Wolfspeed營收占比一路從11%增長到超過50%,成為Cree的重點業務。Cree更在2021年初於官方微信發布聳動標題,聲稱Cree將於2021年年底正式更名為Wolfspeed。


第三代寬能矽半導體已逐漸是Cree業務組成中營收的主力,旗下Wolfspeed的碳化矽(SiC)業務正是第三代半導體的關鍵元件,Cree 更名的驚人訊息,表明了其堅決邁向第三代半導體的決心。


Cree是化合物半導體產業發展的領頭羊,在碳化矽(SiC)基底和外延磊晶領域具有先行者的優勢,這次更名可謂是在全球半導體強國轉型旅程中設立了一個重要里程碑,引領產業從矽到碳化矽的轉變。根據方正證券日前發佈的全球半導體漲幅排名中,Cree以2020年漲幅高達 129%的成績名列第二[1],作為第三代半導體的龍頭企業,Cree的大幅上漲隱含著半導體的發展趨勢,正式邁入第三代化合物半導體產業的時代即將來到。


Cree專利技術解析

碳化矽晶種昇華成長技術

為克服碳化矽之同軸及離軸晶種昇華成長技術不足之處,Cree提出一種碳化矽晶種昇華方法[2],在一實施態樣中,包含在碳化矽晶種與碳化矽源組合物(SiC source composition)之間建立主要成長溫度梯度(major growth temperature gradient);在自(0001)面離軸(off-axis)約1度至10度之間之晶種上呈現一成長表面(growth surface);且將該晶種定位於晶種固持器(seed holder)上,成長表面關於主要成長梯度成約70度至89.5度之間的角度,藉此在結晶中存在徑向溫度梯度(radial temperature gradient),以避免發生碳化矽結晶中因滑動缺陷(split defects)或基面錯位(basal plane dislocation)而形成之熱應力問題。


異質磊晶技術(控制磊晶層厚度以兼顧差排密度與隔離電壓)

對於高功率或高頻率應用,GaN展現極佳之電子轉移性質,可使其以高頻率運作。近來在碳化矽(SiC)基板上使用異質磊晶成長製造第三族氮化物半導體裝置。


然而,在碳化矽基板上產生第三族氮化磊晶層(諸如GaN層)存在著控制GaN磊晶層之厚度對於差排密度與材料之電學特性(如隔離電壓)有相斥不利、無法兼得的問題,從而Cree提出一種半導體裝置結構,包含碳化矽(SiC)基板及其上方之第三族氮化磊晶層,且該第三族氮化磊晶層具有一足以賦予其小於4×108 cm-2之差排密度且高達約20微米之厚度。


此外,該第三族氮化磊晶層可進一步添加過渡金屬摻雜劑,包括鐵(Fe)、鈷(Co)、錳(Mn)、鉻(Cr)、釩(V)、鎳(Ni)及其混合物,以增加磊晶層之隔離電壓到至少約50 V。


外延沉積製程

一般將表面形態缺陷視為由材料中之結晶缺陷所導致。因此,當一外延層在基板上生長時,其晶體生長之物理性質將直接影響表面形態缺陷之成因,例如胡蘿蔔缺陷(carrot defects),其存在增加了逆向洩漏電流。


為了減少或最小化在碳化矽外延薄膜中所發現之胡蘿蔔缺陷的濃度,Cree提出一種外延沉積製程[3],涉及將碳化矽外延薄膜沉積於基板上並產生外延結構的方法,包括中斷該外延生長過程、蝕刻該所生長的層,並再生長第二外延碳化矽層,且可將生長中斷/蝕刻/再生長重複多次以終止胡蘿蔔缺陷。


此外,Cree亦提出利用該外延沉積製程所製造的半導體結構[4],包括離軸碳化矽基板、該基板上之碳化矽外延層,以及在該基板與該外延層間之一介面附近具有一成核點之胡蘿蔔缺陷,其中該胡蘿蔔缺陷終止於該外延層內。因胡蘿蔔缺陷的終止,隨後產生的外延層可具有較低的缺陷密度。


簽訂碳化矽材料長期供貨合約 推動Cree成長

Cree旗下Wolfspeed是全球領先的碳化矽晶圓和外延晶圓製造商,其整合了從SiC襯底到模組的全產業鏈生產環節,在市場占據主導地位。近年受電動車新興產業的崛起,使得碳化矽晶圓供不應求,中下游半導體器件巨頭紛紛開始尋求與Cree簽訂長期供貨協議,包括2018年2月Cree與英飛凌達成價值超過1億美元的SiC晶圓長期供應協議,將向英飛凌長期供應150毫米(6吋)Wolfspeed碳化矽(SiC)晶圓。


英飛凌首席執行官Reinhard Ploss因此表示:「長期以來,我們一直認為Cree是一家強大而可靠的合作夥伴,擁有卓越的產業聲譽(We have known Cree for a long time as a strong and reliable partner with an excellent industry reputation.)」[5]。


2019年1月意法半導體也與Cree達成2.5億美元先進150毫米(6吋)Wolfspeed碳化矽(SiC)裸晶圓和外延晶圓合約[6],便是其中之二。該等長期供貨協議的簽訂,將加速SiC在汽車和工業兩大市場的商用。


Cree執行長Gregg Lowe表示,隨著意法半導體、英飛凌等國際大廠的持續推進,SiC器件的大規模商用將越來越近。為支持半導體產業從矽趨向碳化矽的轉型,Cree將不斷擴大產能以滿足持續增長的市場需求,特別是在工業和汽車應用領域。這種市場情況,推動了Cree的成長,可以預期Cree碳化矽晶圓長期供貨合約的金額還會繼續累加增長。


Cree獨家和福斯合作碳化矽技術 加速發展電動車

根據美國商業資訊Business Wire 於2019年5月14日的報導,Cree被選為德國福斯汽車集團(Volkswagen Group)未來汽車供應鏈(Future Automotive Supply Tracks;FAST)計畫的獨家碳化矽合作夥伴。


FAST的合作夥伴是在其各自領域都表現得相當突出而與福斯汽車集團共同塑造汽車之未來的戰略合作夥伴。FAST的目標是攜手合作,以比以往更快的速度實施技術創新,並更高效、更有效地實現全球汽車專案。


該合作協定將「汽車工業從內燃機轉向電動汽車」以及將「碳化矽化合物半導體器件應用於電動車」兩個同時發生的革命聯繫起來,合作夥伴關係意味著碳化矽的使用將加速汽車工業向電動汽車的轉型。(圖三)。



圖三 : Cree被選為德國福斯汽車集團(Volkswagen Group)未來汽車供應鏈(FAST)計畫的獨家碳化矽合作夥伴。
圖三 : Cree被選為德國福斯汽車集團(Volkswagen Group)未來汽車供應鏈(FAST)計畫的獨家碳化矽合作夥伴。

擴產效益大 碳化矽產能增長30倍

目前全球僅有Cree能穩定量產6吋碳化矽基板。然而,在2019年5月7日Cree宣佈將投資10億美元,在公司美國總部北卡羅萊納州達勒姆市興建一座全球第一條200毫米(8吋)的碳化矽(SiC)晶圓生產工廠和一座材料大型工廠,以擴大其碳化矽產能,預計2024年完工[7]。


此次大舉投資擴大產能,堪稱Cree史上對第三代寬能矽半導體最大的資本投資,不僅使碳化矽晶圓製造產能及碳化矽材料生產能力增長30倍,並建設最先進的汽車合格生產設施,也將加速從矽向碳化矽的產業轉型,滿足2024年之前電動汽車、5G等預期新興市場增長的需求。


此外,此擴產計畫還創造了校園高科技就業機會,制定四年制學院培訓計劃,為新設施提供長期、高質量的就業和成長機會做好準備,特別在人才培育企業社會責任上發揮了正向影響力。


(作者為CTIMES專欄作家,熟捻產業技術發展趨勢及市場研究、前瞻技術之專利分析、專利申請策略規劃與專利佈局等領域,以提供新技術布局發展的策略建議或投資評估的效益分析,擅長創新技術策略分析與科技預測,並經常應邀演講發表產業評析。)


參考資料


[1]半導體廠商暴漲背後的暗潮湧動,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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