Pada masa ini, kebanyakan wafer 100mm dan 150mm dalam industri semikonduktor diperbuat daripada karbida silikon kristal tunggal dengan struktur kekisi heksagon (diwakili oleh 4H dan 6H untuk wafer 4 inci dan 6 inci, masing-masing). Walau bagaimanapun, pengeluar peranti SiC utama berjaya beralih daripada wafer 150mm kepada 200mm, dan pengeluar lain turut memanfaatkan bekalan ini.

Sebagai contoh, menurut penganalisis dari Kumpulan Yole, Infineon memperoleh wafer daripada pelbagai pembekal, termasuk STMicroelectronics, yang memperoleh pegangan majoriti dalam syarikat Sweden Norstel. Pembekal peranti kuasa silikon Rohm sedang meningkatkan kapasiti dan perkongsiannya. Pada bulan Julai, Rohm menandatangani perjanjian 10 tahun dan membayar deposit $2 bilion kepada Wolfspeed untuk membekalkan wafer SiC kosong dan epitaxial 150mm. Rohm juga mencapai persetujuan dengan Mitsubishi, yang akan melabur 260 bilion yen Jepun dalam teknologi dan pengembangan, termasuk pembinaan kilang SiC di Jepun.

"Rohm ialah pendatang baharu dalam bidang semikonduktor kuasa tradisional, tetapi kini [produk kami] mendapat perhatian kerana kecekapan tinggi mereka," kata Hidetoshi Shibata, presiden syarikat itu, dalam kenyataan akhbar baru-baru ini. "SiC boleh mencapainya juga."

Sementara itu, SOITEC dan STMicroelectronics sedang meneroka kaedah yang dipanggil SiC berbilang kristal pada substrat kristal tunggal, yang melibatkan membahagikan wafer silikon kristal tunggal kepada beberapa kepingan dan menggunakan semula substrat wafer penderma untuk mengurangkan sisa. Kelebihan substrat silikon berbilang kristal ialah keupayaan untuk mengalirkan haba melalui substrat ke penyambung logam, membolehkan pensuisan yang lebih pantas dan pelesapan haba yang sangat baik.

Dalam beberapa aspek, silikon karbida mengikuti trajektori pembangunan silikon. Walau bagaimanapun, disebabkan tahap kecacatan dalam SiC, perkongsian data adalah perlu.

"Kami menukar data bahan mentah dan data peralatan dengan pembekal wafer silikon," kata Bornefeld dari Bosch. "Kami juga menggunakan sistem berasaskan AI termaju untuk mengenal pasti korelasi yang baik dan berkongsi maklumat ini supaya kedua-dua syarikat boleh bergerak ke hadapan."

Namun begitu, perkongsian data masih belum meluas. Tidak seperti silikon, peralihan daripada saiz jongkong 150mm kepada 200mm tidak membawa pulangan yang lebih tinggi dari segi bentuk wafer/jongkong. Selain itu, 200mm memerlukan kristal benih yang lebih besar, yang mengambil masa lebih lama untuk tumbuh pada 2,500°C. Pada masa ini, peningkatan produktiviti (wafer/jongkong) mungkin berada dalam julat 20%. Penganalisis dari TECHCET menganggarkan bahawa sumbangan kos pertumbuhan jongkong akan berkurangan berbanding proses menghiris, mengisar, menggilap dan CMP.

Permintaan untuk cip automotif melebihi daripada kenderaan elektrik

Pengarah Pemasaran STMicroelectronics untuk Kuasa Pintar Automotif dan Produk Diskret, Lee Bell, menyatakan, "Kami melihat permintaan untuk aplikasi semikonduktor automotif berkembang lebih cepat daripada peningkatan dalam pengeluaran kenderaan elektrik." "Ini disebabkan oleh pelbagai faktor. Ciri keselamatan pemandu lanjutan, kawalan kenderaan autonomi, ketersambungan lanjutan dan fungsi kemudahan semuanya memacu permintaan untuk semikonduktor, tetapi dengan cara yang berbeza daripada pengelektrikan sistem kuasa," katanya. "Menjelang 2022, kira-kira dua pertiga daripada kenderaan elektrik akan menjadi hibrid, dengan kira-kira satu pertiga didorong oleh bateri. Menjelang 2030, trend ini akan berubah. Ini disebabkan peningkatan penerimaan pasaran, peningkatan ketersediaan infrastruktur pengecasan, tetapi mungkin kebanyakannya yang penting, di sinilah pembuat kereta meletakkan belanjawan penyelidikan dan pembuatan mereka." Perubahan ini merupakan daya penggerak utama untuk penggunaan MOSFET SiC.

Bell menegaskan bahawa penyongsang daya tarikan sering menggunakan cip yang lebih besar. Beliau menambah bahawa semikonduktor kuasa adalah pengguna besar dalam sistem pengecasan kenderaan dan penukar DC-DC yang mengurangkan voltan daripada bateri kepada sistem Internet of Things. Kedua-dua ini tidak terdapat dalam seni bina kenderaan hibrid.

Beliau juga menekankan bahawa kecekapan (peranti pembungkusan dan modul) menjadi perhatian utama kerana lebih sedikit kehilangan kuasa dalam sistem, lebih panjang julat kereta dan trak. "Kami menjalankan kajian membandingkan sistem penyongsang 210kW (kira-kira bersamaan dengan 280 kuasa kuda) dengan MOSFET SiC dan IGBT silikon," katanya. "Kaedah silikon karbida secara konsisten memberikan 98% kecekapan operasi, manakala kaedah IGBT kurang cekap, terutamanya dalam julat beban operasi yang rendah, di mana kenderaan menghabiskan kira-kira 95% daripada hayatnya."

Jumlah kuasa ialah jumlah kerugian pengaliran dan kerugian beralih. "Silikon karbida mengurangkan kerugian pensuisan sebanyak empat faktor," katanya. ST sedang mengeluarkan produk SiC generasi keempatnya dengan prestasi RDSon yang lebih baik sebanyak 30%.

Bornefeld Bosch membentangkan ramalan permintaan dan kapasiti untuk 2030, menunjukkan kapasiti wafer dan wafer global yang besar di Jepun, Korea Selatan, China, Malaysia, Jerman, Austria dan Amerika Syarikat. Malah, industri perlu berhati-hati untuk tidak membina terlalu banyak (lihat Rajah 5). "Persoalannya ialah, 'Apa yang berlaku di China?' China sudah pun menerajui bahan mentah silikon karbida, dan mereka menyediakan wafer berkualiti tinggi pada harga berpatutan," kata Bornefeld. "Mereka juga pantas mengejar dari segi peralatan. Jadi, kita perlu melihat dan menjejaki kapasiti keseluruhan."

Akhirnya, Veliadis dari PowerAmerica bercakap tentang latihan tempat kerja yang diperlukan untuk pelaksanaan mahir semikonduktor jurang jalur lebar seperti SiC dan GaN dalam fabrik wafer. "Terdapat permintaan tinggi untuk jurutera yang mempunyai kepakaran dalam pembuatan SiC dan GaN MOSFET, dan terdapat perbezaan ketara antara fab wafer SiC dan fab wafer silikon," katanya.

Kesimpulan

Peralihan kepada tenaga bersih dan kenderaan elektrik akan memerlukan bahan semikonduktor alternatif seperti SiC dan GaN, dan peranti kuasa pasti akan mengalami pengoptimuman yang ketara dalam dekad akan datang. Kegilaan penambahbaikan teknologi dan pengembangan kapasiti mungkin tidak berterusan, tetapi peranti kuasa masih akan menjadi bahagian penting dalam pelan hala tuju banyak syarikat.

"Kami tahu bahawa industri semikonduktor sedang bergerak ke arah pasaran $1 trilion, tetapi semua orang ingin tahu apa yang akan berlaku selepas 2030," kata David Britz, Pengarah Pemasaran Strategik di Applied Materials ICAPS. "Saya di sini untuk membuktikan bahawa era kelima semikonduktor sememangnya didorong oleh transformasi pengeluaran tenaga dan pengangkutan."

Menguruskan pertumbuhan wafer, peranti dan modul SiC mungkin merupakan aspek yang paling mencabar dalam pasaran SiC setakat ini, bersama-sama dengan isu rantaian bekalan, mengisi jurang teknologi dan perubahan geopolitik. Namun begitu, industri teknologi semikonduktor nampaknya telah mencapai kata sepakat dalam banyak perkara, terutamanya mengenai permintaan untuk kecekapan dan prestasi kuasa generasi akan datang.