Actuellement, la plupart des tranches de 100 mm et 150 mm de l'industrie des semi-conducteurs sont constituées de carbure de silicium monocristallin avec une structure de réseau hexagonal (représentée par 4H et 6H pour les tranches de 4 pouces et 6 pouces, respectivement). Cependant, les principaux fabricants de dispositifs SiC réussissent la transition des tranches de 150 mm aux tranches de 200 mm, et d'autres fabricants capitalisent également sur cette offre.

Par exemple, selon les analystes du groupe Yole, Infineon s'approvisionne en plaquettes auprès de plusieurs fournisseurs, dont STMicroelectronics, qui a acquis une participation majoritaire dans la société suédoise Norstel. Le fournisseur de dispositifs électriques au silicium, Rohm, augmente sa capacité et ses partenariats. En juillet, Rohm a signé un accord de 10 ans et versé un acompte de 2 milliards de dollars à Wolfspeed pour la fourniture de plaquettes SiC nues et épitaxiales de 150 mm. Rohm a également conclu un accord avec Mitsubishi, qui investira 260 milliards de yens japonais dans la technologie et l'expansion, y compris la construction d'une usine SiC au Japon.

« Rohm est un nouveau venu dans le domaine traditionnel des semi-conducteurs de puissance, mais désormais [nos produits] attirent l'attention en raison de leur haute efficacité », a déclaré Hidetoshi Shibata, président de la société, dans un récent communiqué de presse. "Le SiC peut également y parvenir."

Parallèlement, SOITEC et STMicroelectronics explorent une méthode appelée SiC multicristallin sur substrats monocristallins, qui consiste à diviser des tranches de silicium monocristallin en plusieurs tranches et à réutiliser les substrats de tranches donneuses pour réduire les déchets. L'avantage des substrats en silicium multicristallin réside dans leur capacité à conduire la chaleur à travers le substrat jusqu'aux connecteurs métalliques, permettant une commutation plus rapide et une excellente dissipation thermique.

À certains égards, le carbure de silicium suit la trajectoire de développement du silicium. Cependant, en raison des niveaux de défauts du SiC, le partage des données est nécessaire.

"Nous échangeons des données sur les matières premières et les équipements avec les fournisseurs de plaquettes de silicium", a déclaré Bornefeld de Bosch. "Nous utilisons également des systèmes avancés basés sur l'IA pour identifier les bonnes corrélations et partager ces informations afin que les deux sociétés puissent aller de l'avant."

Néanmoins, le partage de données n’est pas encore répandu. Contrairement au silicium, la transition de la taille des lingots de 150 mm à 200 mm n’apporte pas de rendements significativement plus élevés en termes de formes de tranches/lingots. De plus, 200 mm nécessitent des germes de cristaux plus gros, qui mettent plus de temps à se développer à 2,500 20°C. Actuellement, l'augmentation de la productivité (plaquettes/lingots) pourrait être de l'ordre de XNUMX %. Les analystes de TECHCET estiment que la contribution aux coûts de la croissance des lingots diminuera par rapport aux processus de tranchage, de meulage, de polissage et de CMP.

La demande de puces automobiles dépasse celle des véhicules électriques

Lee Bell, directeur marketing des produits discrets et de puissance intelligents pour l'automobile chez STMicroelectronics, a déclaré : « Nous constatons que la demande pour les applications de semi-conducteurs automobiles croît plus vite que la production de véhicules électriques. » « Cela est dû à plusieurs facteurs. Les fonctionnalités avancées de sécurité du conducteur, le contrôle autonome des véhicules, la connectivité avancée et les fonctions de confort stimulent la demande de semi-conducteurs, mais d'une manière différente de l'électrification des systèmes d'alimentation », a-t-il expliqué. « D'ici 2022, environ deux tiers des véhicules électriques seront hybrides, dont environ un tiers seront alimentés par batterie. D'ici 2030, cette tendance s'inversera. Cela s'explique par une meilleure acceptation du marché, une meilleure disponibilité des infrastructures de recharge, mais surtout, par le fait que c'est là que les constructeurs automobiles concentrent leurs budgets de recherche et de production. » Cette évolution est un moteur essentiel de l'utilisation des MOSFET SiC.

Bell a souligné que les onduleurs de traction utilisent souvent des puces plus grosses. Il a ajouté que les semi-conducteurs de puissance sont d'énormes consommateurs dans le système de charge du véhicule et dans le convertisseur DC-DC qui réduit la tension de la batterie au système Internet des objets. Ces deux éléments sont absents dans les architectures de véhicules hybrides.

Il a également souligné que l'efficacité (des composants et des modules) est primordiale, car moins il y a de pertes de puissance dans le système, plus l'autonomie de la voiture ou du camion est élevée. « Nous avons mené une étude comparant un système d'onduleur de 210 kW (soit environ 280 chevaux) à des MOSFET SiC et des IGBT en silicium », a-t-il déclaré. « La méthode au carbure de silicium offre systématiquement un rendement opérationnel de 98 %, tandis que la méthode IGBT est moins efficace, notamment dans la plage de faibles charges de fonctionnement, où le véhicule passe environ 95 % de sa durée de vie. »

La puissance totale est la somme des pertes de conduction et des pertes de commutation. "Le carbure de silicium réduit les pertes de commutation d'un facteur quatre", a-t-il déclaré. ST produit actuellement ses produits SiC de quatrième génération avec une performance RDSon améliorée de 30 %.

Bosch de Bornefeld a présenté des prévisions de demande et de capacité pour 2030, indiquant d'importantes capacités mondiales de fabrication de plaquettes et de plaquettes au Japon, en Corée du Sud, en Chine, en Malaisie, en Allemagne, en Autriche et aux États-Unis. En fait, l’industrie doit veiller à ne pas surconstruire (voir Figure 5). « La question est : « Que se passe-t-il en Chine ? » La Chine est déjà leader dans le domaine des matières premières en carbure de silicium et fournit des plaquettes de très haute qualité à des prix raisonnables", a déclaré Bornefeld. "Ils rattrapent également rapidement leur retard en termes d'équipement. Nous devons donc surveiller et suivre la capacité globale."

Enfin, Veliadis de PowerAmerica a évoqué la formation professionnelle nécessaire à la mise en œuvre de semi-conducteurs à large bande interdite tels que le SiC et le GaN dans les usines de fabrication de plaquettes. « Il existe une forte demande d'ingénieurs experts en fabrication de MOSFET SiC et GaN, et il existe des différences significatives entre les usines de plaquettes SiC et celles de plaquettes silicium », a-t-il déclaré.

Conclusion

La transition vers les énergies propres et les véhicules électriques nécessitera des matériaux semi-conducteurs alternatifs tels que le SiC et le GaN, et les dispositifs électriques connaîtront certainement une optimisation significative au cours des prochaines décennies. La frénésie des améliorations technologiques et des expansions de capacité ne continuera peut-être pas, mais les appareils électriques resteront un élément clé des feuilles de route de nombreuses entreprises.

« Nous savons que l'industrie des semi-conducteurs se dirige vers un marché de 1 2030 milliards de dollars, mais tout le monde veut savoir ce qui se passera après XNUMX », a déclaré David Britz, directeur du marketing stratégique chez Applied Materials ICAPS. "Je suis ici pour prouver que la cinquième ère des semi-conducteurs est effectivement motivée par la transformation de la production et du transport d'énergie."

La gestion de la croissance des plaquettes, dispositifs et modules SiC est peut-être l'aspect le plus difficile du marché SiC à ce jour, avec les problèmes de chaîne d'approvisionnement, le comblement des lacunes technologiques et les changements géopolitiques. Néanmoins, l’industrie de la technologie des semi-conducteurs semble être parvenue à un consensus sur de nombreux points, notamment en ce qui concerne la demande d’efficacité énergétique et de performances de nouvelle génération.