Saat ini, sebagian besar wafer 100mm dan 150mm di industri semikonduktor terbuat dari silikon karbida kristal tunggal dengan struktur kisi heksagonal (diwakili oleh 4H dan 6H untuk wafer 4 inci dan 6 inci). Namun, produsen perangkat SiC besar berhasil melakukan transisi dari wafer 150mm ke 200mm, dan produsen lain juga memanfaatkan pasokan ini.

Misalnya, menurut analis dari Yole Group, Infineon mendapatkan wafer dari berbagai pemasok, termasuk STMicroelectronics, yang mengakuisisi saham mayoritas di perusahaan Swedia Norstel. Pemasok perangkat listrik silikon, Rohm, meningkatkan kapasitas dan kemitraannya. Pada bulan Juli, Rohm menandatangani perjanjian 10 tahun dan membayar deposit $2 miliar kepada Wolfspeed untuk penyediaan wafer SiC telanjang dan epitaxial 150mm. Rohm juga mencapai kesepakatan dengan Mitsubishi, yang akan menginvestasikan 260 miliar yen Jepang dalam teknologi dan ekspansi, termasuk pembangunan pabrik SiC di Jepang.

“Rohm adalah pendatang baru di bidang semikonduktor listrik tradisional, namun sekarang [produk kami] mendapatkan perhatian karena efisiensinya yang tinggi,” kata Hidetoshi Shibata, presiden perusahaan, dalam siaran pers baru-baru ini. "SiC juga bisa mencapai hal itu."

Sementara itu, SOITEC dan STMicroelectronics sedang menjajaki metode yang disebut SiC multi-kristal pada substrat kristal tunggal, yang melibatkan pembagian wafer silikon kristal tunggal menjadi beberapa irisan dan menggunakan kembali substrat wafer donor untuk mengurangi limbah. Keuntungan substrat silikon multikristalin adalah kemampuannya menghantarkan panas melalui substrat ke konektor logam, memungkinkan peralihan yang lebih cepat dan pembuangan panas yang sangat baik.

Dalam beberapa aspek, silikon karbida mengikuti lintasan perkembangan silikon. Namun, karena tingkat kerusakan pada SiC, berbagi data diperlukan.

“Kami bertukar data bahan mentah dan data peralatan dengan pemasok wafer silikon,” kata Bornefeld dari Bosch. “Kami juga menggunakan sistem canggih berbasis AI untuk mengidentifikasi korelasi yang baik dan berbagi informasi ini sehingga kedua perusahaan dapat bergerak maju.”

Meski demikian, pembagian data belum meluas. Berbeda dengan silikon, peralihan dari ukuran ingot 150 mm ke 200 mm tidak memberikan keuntungan yang jauh lebih tinggi dalam bentuk wafer/ingot. Selain itu, ukuran 200mm membutuhkan kristal benih yang lebih besar, yang memerlukan waktu lebih lama untuk tumbuh pada suhu 2,500°C. Saat ini peningkatan produktivitas (wafer/ingot) mungkin berada pada kisaran 20%. Analis dari TECHCET memperkirakan kontribusi biaya pertumbuhan ingot akan menurun dibandingkan proses slicing, grinding, polishing, dan CMP.

Permintaan chip otomotif melebihi permintaan kendaraan listrik

Direktur Pemasaran STMicroelectronics untuk Automotive Intelligent Power and Discrete Products, Lee Bell, menyatakan, "Kami melihat permintaan akan aplikasi semikonduktor otomotif tumbuh lebih cepat dibandingkan peningkatan produksi kendaraan listrik." “Hal ini disebabkan oleh berbagai faktor. Fitur keselamatan pengemudi yang canggih, kontrol kendaraan otonom, konektivitas canggih, dan fungsi kenyamanan semuanya mendorong permintaan akan semikonduktor, namun dengan cara yang berbeda dibandingkan elektrifikasi sistem tenaga,” ujarnya. “Pada tahun 2022, sekitar dua pertiga kendaraan listrik akan menjadi kendaraan hibrida, dan sekitar sepertiganya digerakkan oleh baterai. Pada tahun 2030, tren ini akan berbalik. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya penerimaan pasar, peningkatan ketersediaan infrastruktur pengisian daya, namun mungkin sebagian besar yang terpenting, di sinilah para pembuat mobil menempatkan anggaran penelitian dan produksi mereka." Perubahan ini merupakan kekuatan pendorong utama penggunaan MOSFET SiC.

Bell menunjukkan bahwa inverter traksi sering kali menggunakan chip yang lebih besar. Ia menambahkan, semikonduktor daya merupakan konsumen besar dalam sistem pengisian daya kendaraan dan konverter DC-DC yang mengurangi tegangan dari baterai ke sistem Internet of Things. Kedua hal ini tidak ada dalam arsitektur kendaraan hybrid.

Ia juga menekankan bahwa efisiensi (perangkat dan modul pengemasan) menjadi perhatian utama karena semakin kecil kehilangan daya dalam sistem, semakin jauh jangkauan mobil dan truk. "Kami melakukan studi yang membandingkan sistem inverter 210 kW (setara dengan 280 tenaga kuda) dengan MOSFET SiC dan IGBT silikon," ujarnya. "Metode silikon karbida secara konsisten menghasilkan efisiensi operasional 98%, sementara metode IGBT kurang efisien, terutama pada rentang beban operasional rendah, di mana kendaraan menghabiskan sekitar 95% masa pakainya."

Daya total adalah jumlah rugi-rugi konduksi dan rugi-rugi switching. "Silikon karbida mengurangi kerugian peralihan sebanyak empat kali lipat," katanya. ST saat ini memproduksi produk SiC generasi keempat dengan peningkatan kinerja RDSON sebesar 30%.

Bornefeld dari Bosch menyajikan perkiraan permintaan dan kapasitas untuk tahun 2030, yang menunjukkan kapasitas pabrik wafer dan wafer global yang besar di Jepang, Korea Selatan, Tiongkok, Malaysia, Jerman, Austria, dan Amerika Serikat. Faktanya, industri perlu berhati-hati agar tidak melakukan pembangunan secara berlebihan (lihat Gambar 5). “Pertanyaannya adalah, 'Apa yang terjadi di Tiongkok?' Tiongkok sudah memimpin dalam bahan baku silikon karbida, dan mereka menyediakan wafer berkualitas sangat tinggi dengan harga pantas,” kata Bornefeld. “Mereka juga dengan cepat mengejar ketertinggalan dalam hal peralatan. Jadi, kita perlu mengawasi dan melacak kapasitas keseluruhan.”

Terakhir, Veliadis dari PowerAmerica berbicara tentang pelatihan di tempat kerja yang diperlukan untuk penerapan terampil semikonduktor celah pita lebar seperti SiC dan GaN di pabrik wafer. “Ada permintaan yang tinggi untuk insinyur dengan keahlian di bidang manufaktur SiC dan GaN MOSFET, dan terdapat perbedaan signifikan antara pabrik wafer SiC dan pabrik wafer silikon,” katanya.

Kesimpulan

Transisi ke energi ramah lingkungan dan kendaraan listrik akan memerlukan bahan semikonduktor alternatif seperti SiC dan GaN, dan perangkat listrik pasti akan mengalami optimalisasi yang signifikan dalam beberapa dekade mendatang. Kehebohan peningkatan teknologi dan perluasan kapasitas mungkin tidak akan berlanjut, namun perangkat listrik akan tetap menjadi bagian penting dari peta jalan banyak perusahaan.

“Kami tahu bahwa industri semikonduktor sedang bergerak menuju pasar senilai $1 triliun, namun semua orang ingin tahu apa yang akan terjadi setelah tahun 2030,” kata David Britz, Direktur Pemasaran Strategis di Applied Materials ICAPS. “Saya di sini untuk membuktikan bahwa semikonduktor era kelima memang didorong oleh transformasi produksi dan transportasi energi.”

Mengelola pertumbuhan wafer, perangkat, dan modul SiC mungkin merupakan aspek paling menantang dari pasar SiC hingga saat ini, bersamaan dengan masalah rantai pasokan, mengisi kesenjangan teknologi, dan perubahan geopolitik. Meski demikian, industri teknologi semikonduktor tampaknya telah mencapai konsensus dalam banyak hal, terutama mengenai tuntutan efisiensi dan kinerja daya generasi mendatang.