SiC作為材料在19世紀就被發現了，隨後的一個世紀裡，SiC由於其硬度高而廣泛在機械加工和冶煉中得到運用，主要用在功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料這幾個領域。還有就是作為一種珠寶——莫桑鑽——而推廣。
雖然早在1907年就誕生了第一隻SiC二極體，但由於SiC本身結構的多變性，SiC的產業化晶體生長的探索之路持續了整個20世紀，並至今仍在不斷探索和完善。作為一種寬帶隙半導體，與傳統矽基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統矽基器件的10倍，導熱係數是傳統矽基器件的3倍，非常適合於高壓應用。SiC元器件能夠實現更低的導通電阻，更高的開關速度，適應更高溫的工作環境。
幾種半導體材料的核心指標對比（當然，表中缺乏一個核心的要素——產業化成本）：
資料來源：賽迪智庫
SiC功率器件的產業鏈條包括：襯底->外延->器件（設計，製造，封測）->應用和方案->終端產品應用。
資料來源：滴水研究
襯底和外延屬於SiC產業的上遊環節，作為支撐整個產業發展的材料環節，不論是從最終器件的性能還是成本因素來看，其重要性怎麼強調都不過分。
Cree作為整個產業發展的先行者和領頭羊，在襯底和外延領域都有著絕對的領軍優勢——市佔率在50%左右。近兩年更是「一片難求」。對於下遊的器件巨頭而言，保障供應最好的方式，就是和Cree籤訂長期供貨協議。Cree目前的SiC材料長期供貨合同的金額已經超過5億美金，預計這個數字還會繼續快速地增加——這種模式對於這個產業的發展而言，會起到很大的促進作用，這個在後面闡述產業發展動力的時候，再來詳述。
除了Cree外，II-VI、Dow Corning、Rohm、昭和電工是主要的玩家。它們一起構成了SiC材料行業格局的基本生態，它們的動向也會對整個SiC產業產生重大影響。
作為全球最大的半導體器件的主場戰隊，國內的SiC材料企業發展近兩年也非常迅速。得益於產業鏈各個環節的相互支持和推動，襯底端的國內供應商已經能夠大批量地提供比較好的4寸襯底，6寸片的進化也在不斷加速。外延方面，國內的企業經過多年的工藝積累和優化，有些已經基本和國外巨頭處於同一集團，正面PK也不落下風。材料端的良好進展，對於國內SiC產業的發展而言，是至關重要的。
材料設備方面，由於SiC的襯底材料生長的獨特性，幾家襯底巨頭，包括國內的一些襯底廠商，很多都是自研自產襯底爐子，這也進一步拉高了進入襯底行業的難度——國外襯底巨頭基本上不對外賣爐子，並且襯底生長的品質把控，有很多的know how是歸集到襯底爐上面的。
外延爐相對而言比較成熟，主要是使用MOCVD設備，設備玩家非常集中，AiXtron，LPE和VEECO。隨著這個產業的持續火熱和高預期，各家的產能擴張，使得外延爐現在一直也是供不應求的狀態，交期一般也都得在半年以上。
資料來源：滴水研究
器件方面，分成IDM廠商和Fabless廠商，這裡主要是說明SiC功率器件，對於SiC襯底應用於LED和GaN器件的情況——LED就不做說明了，GaN器件在下篇中來詳述。IDM廠商目前主要還是以國外的巨頭為主，除了Cree外，大都是傳統的功率半導體巨頭，他們在傳統功率半導體市場上的相對競爭和勢力情況，也影響著SiC產業的發展節奏，這些在後面來詳述。國內的IDM廠商近年來逐漸發力追趕（根據華潤微電子披露的招股書，其將要投資6億重點支持SiC和GaN，華潤微在三代半的布局，應該還是IDM的方式），但差距還是比較大。
在Fabless-Foundry的模式裡，獨立的第三方fab廠，目前主要是X Fab和臺灣漢磊。未來應該也會有新的國內玩家加入（不管是傳統Si Fab廠四、六寸線的產能轉換還是新設投資）。圍繞著這些fab廠建立起來的Fabless-Foundry生態體系，逐漸也一定會成為SiC功率器件中很重要的力量。
下遊的應用，SiC在電力電子和很多的傳統高壓高功率的功率半導體應用場景中，都有應用或潛在的應用空間。如下圖所示：
資料來源：Yole
EV是SiC功率器件/模塊的一個大下遊市場，在OBC、DC/DC和Traction Inverter上目前都已經開始應用。特斯拉是第一家在其Model 3中集成全SiC功率模塊的車企，其工程設計部門直接與ST合作——得益於ST在功率半導體封裝方面積累，目前這塊也是ST在SiC業務中的絕大部分來源。特斯拉M3的主逆變器由24個1-in-1功率模塊組成，這些模塊組裝在針翅式散熱器上。如下圖所示：
圖片來源：汽車電子設計
專業研究機構Yole Development對SiC功率器件的應用空間、容量和各自的佔比做了預測（如下圖），根據Yole的數據，未來幾年SiC功率器件的CAGR將超過30%，新能源汽車和充電設施是其中增長最快的兩個應用場景。
資料來源：yole
目前SiC二極體已經非常成熟了，國內外的玩家都能夠量產。但在MOS等其他器件上，國內外差距較大。從應用的角度看，雖然絕大部分的應用客戶都會有（或宣稱有）對SiC器件的研究和方案，但坦白講，對SiC器件的深刻理解、對其應力和邊界的探索和研究，從應用端的角度來看，還是需要更長期的過程。
主要環節的產業化的難點
襯底的生產過程中的精確控制一直是個核心難點。SiC單晶生長溫度高達2,300℃，且碳化矽只有「固-氣」二相，相比於第一代、第二代半導體的「固-液-氣」三相，控制起來要困難得多，沒有相關技術進行參考借鑑。加上SiC的單晶結構差不多有200餘種同分異構體，很多的晶型間的自由能差異非常小，這些都給其單晶的產業化生長製備帶來了很大的挑戰。直接的結果是，sic單晶體中的缺陷一直是核心要解決的問題。
外延方面，延續了襯底中缺陷控制的挑戰——與襯底類似，其生長過程的精確控制也是難點。對生長過程的設計需要綜合考慮器件需求、缺陷和過程控制等多方面因素。器件端的挑戰主要在mos管及以上（從結構的複雜程度來看）器件上，比如器件柵氧層的製備，即便是功率器件的行業巨頭，目前也還是需要不斷去突破和完善。由於SiC材料的高硬度和高溫加工環境，摻雜工藝上的挑戰也比較大。
應用和方案的配套直接決定了SiC器件的推廣應用，功率半導體目前大部分的應用環境還是以矽基產品為基礎，需要根據SiC器件的特性和需求來設計其應用生態和配套的外圍電路，因此應用和方案商的缺乏目前對於整個產業的發展而言，是一個亟需突破的焦點。
當然，最核心的問題還是繞不開：成本。
經常聽到的一些觀點是，碳化矽器件還是太貴了。從產業發展的規律看，只有當成本和價格跌破到某一些臨界點後，其大規模的批量應用才會起來。這是一個動態且複雜的過程。
這裡只從一些邏輯層面來解析下「成本」——支持SiC功率器件應用的人士，都會提到SiC功率器件的系統成本已經接近且極有潛力低於Si基器件的系統成本，因為SiC功率器件會使得配套的電路變得更簡單和更少的單元，從而在系統層面來降低成本。如下圖：
資料來源：賽迪智庫
Infineon在其公開資料中，對這個邏輯也有一些說明，如下：
資料來源：Infineon
資料來源：Infineon
如果把這個邏輯再擴展一步：晶片其實也是電路系統，SiC功率器件晶片本身也得益於更高效的特質——更小的size。同樣指標和性能的產品，一片SiCwafer上能夠生產出來的die的數量，大概能抵得上6片Si Wafer的產出。
所以SiC功率器件的成本潛力及邏輯支撐，我們認為是站得住腳的。但這個邏輯同樣要經受到實際應用情況的挑戰和檢驗。一個是wafer成本以及每顆die的成本，比較合適的比較，是和12寸線的情況來比較，這個臨界值大概會是12寸Si晶圓情況下的多少倍？一個是更小的size的正負效益都要考慮到，特別是結合後續的封裝和應用，也許很多看在明面上的好處，其實是需要打折扣的。
對SiC產業化難點的總結如下：
材料——高成本、缺陷密度（良率）、晶圓尺寸和晶圓供給器件——高成本、產線、長期可靠性、封裝和可靠的供應鏈關係系統/方案——外圍配套和應用生態
資料來源：Yole
當然，任何新事物的推廣，都是受到產業內在發展邏輯和動力推動而影響的，SiC功率器件也一樣。接下來我們試著來分析下，對於SiC功率器件而言，現階段其產業動能的情況如何？
SiC功率半導體產業的發展動力
首先來看近期一個比較爆炸的新聞：
5月7日，Cree宣布將投資10億美金用來擴大SiC的產能，包括整合一座8寸晶圓廠（4.5億投資用於North Fab，增建工廠和產能）和一座SiC材料工廠（4.5億美金用於mega factory，剩下的1億美金用於SiC其他業務的相關投入），將其SiC材料和晶圓製造的能力（相比於2017年的Q1）擴張30倍。
Cree對SiC未來（到2024年）的預期的信心究竟有多少，我們不得而知，但打出這樣的牌，一是也符合Cree這兩年一直對外釋放的信號，比如在2019財年Q2的Earnings Call Transcript中，Cree預計2019財年的資本投入約2.2億美金，大部分用於擴張wolfspeed的產能。即便是「......that may reduce our near-term Wolfspeed gross margin.」 二是Cree判斷目前已經達到了採用電動汽車和採用碳化矽的轉折點——汽車製造商已宣布計劃在電氣化項目上花費至少3000億美元，他們對碳化矽的興趣非常高。因此公司需要保證自己在sic領域的長期供應能力。從他們目前和下遊籤下的長期晶圓供應協議正在驗證這些趨勢，目前這些協議總額超過4.5億美元，包括今年與STMicro籤訂的價值超過2.5億美元的合約。
作為Cree在SiC材料上的強勁競爭對手，II-VI、Dow Corning、Rohm和昭和電工近年來也是持續在擴張產能。II-VI在其2019年Q3的電話會議中說明：2018年基於SiC的電力電子設備（包括用於電動車輛應用）增長了70％。整個SiC的應用市場正在加強，特別是在中國。在資金投入方面，2019財年其很大一部分的資本投入，都是用於SiC。II-VI對其每一個SiC材料工廠都有一個量產改進計劃，其核心在於最大程度地實現持續的產量改進，計劃在未來18到24個月內將產能翻番。結合和下遊客戶的溝通和緊密聯繫得到的反饋，II-VI方面認為市場方面明顯地低估了對SiC襯底的需求。此外，在下遊需求的鎖定方面，和Cree類似，II-VI絕大部分的SiC襯底需求都是長期合同。
日本SiC外延的領導廠商昭和電工近兩年也動作頻密，在連續4次宣布擴張其SiC外延產能後，其SiC外延產能從最初的1500片/月提升至2019年Q1的9000片/月。而位於臺灣的外延廠商嘉晶其2018年的sic外延產能為4寸 1500片/月，計劃在2019年新增6寸 1000片/月的產能。
一個產業發展的動力機制是非常複雜的，不過底層的幾個要素可以歸納為：成本（產能）、價格（需求）、性能、應用和最終出海口。這裡對SiC的產業動力做一個比較粗陋的簡化（性能上的邏輯在上面已經有了闡述，這裡就不增加進來），如下圖所示：
資料來源：滴水研究
從上遊材料廠商的動作來看，接下來一輪的產業發展的發起點，他們已經或者意圖去擰動鑰匙了——不論這裡面很多的產能是否已經兌現，一個聲明也是能起到類似的效果：對於產業裡的玩家來說，Cree這樣產業地位的公司的聲明，你是信啊，還是不信呢？
當然後續的動力傳導中，會有很多很細節的問題，這些我們也會持續的跟蹤和研究。
材料廠商並不是盲目的擴張產能——這點從上面對他們的公開說明的整理中也可以感受到，一個是他們在手的很多是長期協議，一個是他們感受到的產業動能比很多人士認為的要強（雖然有可能這也是他們的一種手段）。接下來我們也整理下幾個SiC的器件巨頭的一些公開資料，梳理下它們對SiC產業動能的觀點。
首先是STMicroelectronics 2019財年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財年對碳化矽器件的銷售收入目標是約2億美元，意味著MOSFET/二極體的收入相比2018年增加一倍。這部分收入目前還是由主要客戶（tesla）支撐。但ST已經和下遊客戶有約30個重大項目在進行。
「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收購了晶圓製造商Norstel，和Cree達成了多年的供貨協議。且開始為全球汽車製造商提供採用SiC嵌入式ACEPACK驅動模塊的樣品。
然後我們來看看On Semi 2018財年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財年Q3在汽車終端市場收穫了首筆碳化矽收入，正積極與全球領先的汽車原始設備製造商合作開展許多碳化矽項目。預計碳化矽將成為On semi汽車業務的重要推動力，碳化矽收入將大幅增長。
「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在碳化矽晶圓方面有和合作夥伴的長期協議，這點不同於矽晶圓。目前在SiC產品方面更多的考慮是增加服務能力並且減少輸入成本，外包是一個合適的選擇。內部供應量約50％，2019財年這一變化不大。
「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財年碳化矽的總量將達到數千萬，每年都會增加數倍。
接下來，我們整理下Infineon 2019財年Q1 的Earnings Call Transcript slide：
預計Infineon SiC器件的銷售收入佔比將從2018年的1%->2025年的20%。從單一的器件供應發展成為多模塊供應：
資料來源：Infineon
Infineon的SiC解決方案在汽車行業方面的進展和計劃（2018->2020），從充電模塊到主變的滲透：
資料來源：Infineon
SiC功率器件在EV充電系統中的應用和滲透率預測：
資料來源：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.」
對Infineon而言，SiC整體的定位還是屬於比較早期——空間正在從每年數千萬美金到每年幾億美金髮展變化。在2019財年的H2，預計Infineon的SiC產品在電動汽車的應用會開始突破。總體的判斷是：碳化矽器件會高速增長。
最後，梳理下「超級出海口」豐田在SiC領域的布局：
作為2013年就建立了SiC專用的無塵間、2015年2月就發布了凱美瑞混合動力SiC原型車的老司機，豐田在2017年停止了其在sic領域的大部分宣傳。很多產業內的朋友認為，這並不是豐田放棄了採用SiC，而是進入了量產化階段的「潛伏模式」的證據。豐田目前的戰略是將應用在大量出貨的普瑞斯上的電動化技術，進一步擴展到其他車型。如果遵循這一方針的話，2020年左右上市的下一代普瑞斯中，應該就會採用新的SiC功率元件。
資料來源：Toyota
從這些巨頭公開的一些資料來看，SiC的應用場景和趨勢是比較明確的，但各家對SiC這塊蛋糕也各有各的打算：Infineon作為功率半導體的擂主，其CoolSiC早在2016年就開始對外宣傳，但從其行動上卻沒有大力跟進——既有可能是其SiC器件的成熟度欠佳，可靠性還待更長時間的檢驗，也有可能是權衡SiC器件對其傳統強勢Si基功率半導體業務的衝擊。ST和On Semi的包袱要小很多，步子邁得也大一些。ST更多的考量是可能藉助SiC來提升自己的份額，而On Semi的策略大概還是延續其過往在各個市場的老二策略——及時跟進，但不冒進。
不管產業中的玩家會怎麼博弈，也儘管SiC功率器件還是有它自己各種各樣的問題，SiC器件的應用爆發的節點，很有可能就在接下來的一兩年內。
對於Cree，第三代半導體發展的路上，它在最重要的關卡上都做了布局——在SiC材料端，它是毋庸置疑的霸主。在SiC功率器件方面，它也是先驅。不過我認為它應該優先甚至全力鞏固其在材料端的領先地位和護城河——器件會是一個大市場，但相比於功率半導體巨頭而言，Cree並沒有優勢，且隨著未來SiC領域的發展，產業分工會更加明細。長期的競爭優劣勢也會更加明顯。
當然，在GaN這一塊業務上，可能Cree會面對不同的路徑？在最後一篇Cree的分析文章中，我們對此再來分析。祝各位看官一切順利。
未完待續.......