Momenteel zijn de meeste 100 mm en 150 mm wafers in de halfgeleiderindustrie gemaakt van monokristallijn siliciumcarbide met een hexagonale roosterstructuur (weergegeven door 4H en 6H voor respectievelijk 4-inch en 6-inch wafers). Grote fabrikanten van SiC-apparaten zijn echter met succes overgestapt van wafers van 150 mm naar 200 mm, en ook andere fabrikanten profiteren van dit aanbod.

Volgens analisten van Yole Group betrekt Infineon bijvoorbeeld wafers van meerdere leveranciers, waaronder STMicroelectronics, dat een meerderheidsbelang verwierf in het Zweedse bedrijf Norstel. Leverancier van siliciumenergieapparatuur Rohm breidt zijn capaciteit en partnerschappen uit. In juli tekende Rohm een tienjarige overeenkomst en betaalde een aanbetaling van $10 miljard aan Wolfspeed voor de levering van 2 mm kale en epitaxiale SiC-wafels. Rohm bereikte ook een overeenkomst met Mitsubishi, dat 150 miljard Japanse yen zal investeren in technologie en uitbreiding, inclusief de bouw van een SiC-fabriek in Japan.

"Rohm is een nieuwkomer op het gebied van traditionele vermogenshalfgeleiders, maar nu krijgen [onze producten] aandacht vanwege hun hoge efficiëntie", zegt Hidetoshi Shibata, president van het bedrijf, in een recent persbericht. "SiC kan dat ook bereiken."

Ondertussen onderzoeken SOITEC en STMicroelectronics een methode genaamd multikristallijn SiC op monokristallijne substraten, waarbij monokristallijne siliciumwafels in meerdere plakjes worden verdeeld en donorwafelsubstraten worden hergebruikt om verspilling te verminderen. Het voordeel van multikristallijne siliciumsubstraten is het vermogen om warmte door het substraat naar metalen connectoren te geleiden, waardoor sneller schakelen en uitstekende warmteafvoer mogelijk is.

In sommige opzichten volgt siliciumcarbide het ontwikkelingstraject van silicium. Vanwege de defectniveaus in SiC is het delen van gegevens echter noodzakelijk.

"We wisselen grondstofgegevens en apparatuurgegevens uit met leveranciers van siliciumwafels", zegt Bornefeld van Bosch. "We gebruiken ook geavanceerde op AI gebaseerde systemen om goede correlaties te identificeren en deze informatie te delen, zodat beide bedrijven vooruit kunnen."

Toch is het delen van data nog niet wijdverspreid. In tegenstelling tot silicium levert de overgang van een staafgrootte van 150 mm naar een staafgrootte van 200 mm geen significant hogere opbrengsten op in termen van wafel/staafvormen. Bovendien vereist 200 mm grotere zaadkristallen, die bij 2,500 °C langer nodig hebben om te groeien. Momenteel kan de toename van de productiviteit (wafels/blokken) in de orde van 20% liggen. Analisten van TECHCET schatten dat de kostenbijdrage van de groei van blokken zal afnemen in vergelijking met snij-, slijp-, polijst- en CMP-processen.

De vraag naar autochips overtreft die van elektrische voertuigen

Lee Bell, Marketing Director Automotive Intelligent Power and Discrete Products bij STMicroelectronics, verklaarde: "We zien de vraag naar halfgeleidertoepassingen in de automobielindustrie sneller groeien dan de toename van de productie van elektrische voertuigen." "Dit komt door verschillende factoren. Geavanceerde veiligheidsfuncties voor de bestuurder, autonome voertuigbesturing, geavanceerde connectiviteit en comfortfuncties stimuleren allemaal de vraag naar halfgeleiders, maar op een andere manier dan de elektrificatie van energiesystemen," zei hij. "Tegen 2022 zal ongeveer twee derde van de elektrische voertuigen hybride zijn, waarvan ongeveer een derde batterijgevoed. Tegen 2030 zal deze trend omkeren. Dit komt door de toegenomen marktacceptatie en de verbeterde beschikbaarheid van laadinfrastructuur, maar misschien wel het belangrijkste is dat autofabrikanten hier hun onderzoeks- en productiebudgetten op inzetten." Deze verandering is een belangrijke drijvende kracht achter het gebruik van SiC-MOSFET's.

Bell wees erop dat tractie-omvormers vaak grotere chips gebruiken. Hij voegde eraan toe dat vermogenshalfgeleiders grote verbruikers zijn in het laadsysteem van het voertuig en de DC-DC-omzetter die de spanning van de accu naar het Internet of Things-systeem verlaagt. Beide ontbreken in hybride voertuigarchitecturen.

Hij benadrukte ook dat efficiëntie (van componenten en modules) van primair belang is, omdat hoe minder vermogensverlies in het systeem, hoe groter de actieradius van de auto of vrachtwagen. "We hebben een studie uitgevoerd waarbij we een omvormersysteem van 210 kW (ongeveer gelijk aan 280 pk) vergeleken met SiC MOSFET's en silicium IGBT's", zei hij. "De siliciumcarbidemethode levert consistent een operationele efficiëntie van 98% op, terwijl de IGBT-methode minder efficiënt is, vooral in het lage bedrijfsbelastingsbereik, waar het voertuig ongeveer 95% van zijn levensduur doorbrengt."

Het totale vermogen is de som van geleidingsverliezen en schakelverliezen. "Siliciumcarbide vermindert schakelverliezen met een factor vier", zei hij. ST produceert momenteel zijn SiC-producten van de vierde generatie met verbeterde RDSon-prestaties van 30%.

Bosch's Bornefeld presenteerde vraag- en capaciteitsprognoses voor 2030, die wijzen op substantiële mondiale wafer- en waferfabriekcapaciteiten in Japan, Zuid-Korea, China, Maleisië, Duitsland, Oostenrijk en de Verenigde Staten. In feite moet de sector oppassen dat er niet te veel wordt gebouwd (zie figuur 5). "De vraag is: 'Wat gebeurt er in China?' China is al toonaangevend op het gebied van siliciumcarbidegrondstoffen en levert wafels van zeer hoge kwaliteit tegen redelijke prijzen", aldus Bornefeld. "Ze zijn ook snel bezig met een inhaalslag op het gebied van apparatuur. We moeten dus de totale capaciteit in de gaten houden en volgen."

Tot slot sprak Veliadis van PowerAmerica over de bedrijfstraining die nodig is voor de vakkundige implementatie van halfgeleiders met een brede bandgap, zoals SiC en GaN, in waferfabrieken. "Er is een grote vraag naar engineers met expertise in de productie van SiC- en GaN-MOSFET's, en er zijn aanzienlijke verschillen tussen SiC-waferfabrieken en siliciumwaferfabrieken," zei hij.

Conclusie

De transitie naar schone energie en elektrische voertuigen zal alternatieve halfgeleidermaterialen zoals SiC en GaN vereisen, en energieapparaten zullen de komende decennia zeker aanzienlijk worden geoptimaliseerd. De razernij van technologische verbeteringen en capaciteitsuitbreidingen zal misschien niet aanhouden, maar elektrische apparaten zullen nog steeds een belangrijk onderdeel vormen van de routekaarten van veel bedrijven.

"We weten dat de halfgeleiderindustrie op weg is naar een markt van $1 biljoen, maar iedereen wil weten wat er na 2030 zal gebeuren", zegt David Britz, Strategic Marketing Director bij Applied Materials ICAPS. "Ik ben hier om te bewijzen dat het vijfde tijdperk van halfgeleiders inderdaad wordt aangedreven door de transformatie van energieproductie en transport."

Het beheren van de groei van SiC-wafers, -apparaten en -modules is misschien wel het meest uitdagende aspect van de SiC-markt tot nu toe, samen met problemen met de toeleveringsketen, het opvullen van technologische hiaten en geopolitieke veranderingen. Niettemin lijkt de halfgeleidertechnologie-industrie over veel zaken overeenstemming te hebben bereikt, vooral met betrekking tot de vraag naar energie-efficiëntie en -prestaties van de volgende generatie.