В настоящее время большинство пластин диаметром 100 и 150 мм в полупроводниковой промышленности изготавливаются из монокристаллического карбида кремния с гексагональной структурой решетки (обозначены 4H и 6H для 4-дюймовых и 6-дюймовых пластин соответственно). Тем не менее, основные производители SiC-устройств успешно переходят от пластин диаметром 150 мм к 200 мм, и другие производители также извлекают выгоду из этого предложения.

Например, по мнению аналитиков Yole Group, Infineon закупает пластины у нескольких поставщиков, включая STMicroelectronics, которая приобрела контрольный пакет акций шведской компании Norstel. Поставщик кремниевых силовых устройств Rohm наращивает свои мощности и партнерские отношения. В июле Ром подписал 10-летнее соглашение и выплатил компании Wolfspeed залог в размере 2 миллиардов долларов за поставку 150-миллиметровых голых и эпитаксиальных пластин SiC. Ром также достиг соглашения с Mitsubishi, которая инвестирует 260 миллиардов японских иен в технологии и расширение, включая строительство завода по производству SiC в Японии.

«Rohm — новичок в традиционной области силовых полупроводников, но теперь [наши продукты] привлекают внимание своей высокой эффективностью», — сказал Хидетоси Сибата, президент компании, в недавнем пресс-релизе. «SiC тоже может добиться этого».

Тем временем SOITEC и STMicroelectronics изучают метод, называемый мультикристаллическим SiC на монокристаллических подложках, который включает в себя разделение пластин монокристаллического кремния на несколько срезов и повторное использование подложек донорских пластин для сокращения отходов. Преимуществом подложек из мультикристаллического кремния является способность проводить тепло через подложку к металлическим разъемам, что обеспечивает более быстрое переключение и превосходное рассеивание тепла.

В некоторых аспектах карбид кремния следует траектории развития кремния. Однако из-за большого количества дефектов в SiC обмен данными необходим.

«Мы обмениваемся данными о сырье и оборудовании с поставщиками кремниевых пластин», — сказал Борнефельд из Bosch. «Мы также используем передовые системы на базе искусственного интеллекта для выявления хороших корреляций и обмена этой информацией, чтобы обе компании могли двигаться вперед».

Тем не менее обмен данными пока не получил широкого распространения. В отличие от кремния, переход от размера слитка 150 мм к 200 мм не приносит значительно большей отдачи с точки зрения форм пластин/слитков. Кроме того, для 200 мм требуются более крупные затравочные кристаллы, которым требуется больше времени для роста при 2,500°C. В настоящее время прирост производительности (пластины/слитки) может находиться в пределах 20%. По оценкам аналитиков TECHCET, затраты на рост слитков снизятся по сравнению с процессами нарезки, шлифования, полировки и ХМП.

Спрос на автомобильные чипы превышает спрос на электромобили

Директор по маркетингу автомобильной интеллектуальной силовой и дискретной продукции STMicroelectronics Ли Белл заявил: «Мы видим, что спрос на автомобильные полупроводниковые приложения растет быстрее, чем рост производства электромобилей». «Это связано с различными факторами. Расширенные функции безопасности водителя, автономное управление транспортными средствами, расширенные возможности подключения и удобные функции — все это стимулирует спрос на полупроводники, но не так, как электрификация энергосистем», — сказал он. «К 2022 году около двух третей электромобилей будут гибридными, а около одной трети — с батарейным питанием. К 2030 году эта тенденция изменится. Это связано с растущим признанием рынка, улучшением доступности зарядной инфраструктуры, но, возможно, большинство важно то, что именно здесь автопроизводители размещают свои исследовательские и производственные бюджеты». Это изменение является ключевой движущей силой использования SiC MOSFET.

Белл отметил, что в тяговых инверторах часто используются чипы большего размера. Он добавил, что силовые полупроводники являются огромными потребителями в системе зарядки автомобиля и преобразователе постоянного тока, который снижает напряжение от аккумулятора до системы Интернета вещей. Оба из них отсутствуют в архитектурах гибридных автомобилей.

Он также подчеркнул, что эффективность (компоновки устройств и модулей) имеет первостепенное значение, поскольку чем меньше потери мощности в системе, тем больше запас хода легкового и грузового автомобиля. «Мы провели исследование, сравнивая инверторную систему мощностью 210 кВт (примерно эквивалентно 280 лошадиным силам) с SiC MOSFET и кремниевыми IGBT», — сказал он. «Метод на основе карбида кремния стабильно обеспечивает 98% эксплуатационной эффективности, в то время как метод на основе IGBT менее эффективен, особенно в диапазоне низких рабочих нагрузок, где автомобиль проводит около 95% своего срока службы».

Полная мощность представляет собой сумму потерь проводимости и потерь переключения. «Карбид кремния снижает потери при переключении в четыре раза», — сказал он. ST в настоящее время производит SiC-продукты четвертого поколения с улучшенными характеристиками RDson на 30%.

Борнефельд из Bosch представил прогнозы спроса и мощностей на 2030 год, указав на значительные глобальные мощности по производству пластин и пластин в Японии, Южной Корее, Китае, Малайзии, Германии, Австрии и США. Фактически, отрасли необходимо проявлять осторожность, чтобы не допустить чрезмерного развития (см. Рисунок 5). «Вопрос в том, что происходит в Китае?» Китай уже лидирует в производстве карбидокремниевого сырья и поставляет пластины очень высокого качества по разумным ценам», — сказал Борнефельд. «Они также быстро догоняют нас с точки зрения оборудования. Поэтому нам нужно следить и отслеживать общую мощность».

Наконец, Велиадис из PowerAmerica рассказал об обучении на рабочем месте, необходимом для квалифицированного внедрения широкозонных полупроводников, таких как SiC и GaN, на заводах по производству пластин. «Существует высокий спрос на инженеров, обладающих опытом в производстве SiC и GaN MOSFET, и существуют существенные различия между производителями SiC и кремниевых пластин», — сказал он.

Заключение

Переход к чистой энергии и электромобилям потребует альтернативных полупроводниковых материалов, таких как SiC и GaN, а силовые устройства наверняка претерпят значительную оптимизацию в ближайшие десятилетия. Безумие технологических усовершенствований и расширения мощностей, возможно, не продолжится, но силовые устройства по-прежнему будут ключевой частью дорожных карт многих компаний.

«Мы знаем, что полупроводниковая промышленность движется к рынку стоимостью в 1 триллион долларов, но все хотят знать, что произойдет после 2030 года», — сказал Дэвид Бритц, директор по стратегическому маркетингу Applied Materials ICAPS. «Я здесь, чтобы доказать, что пятая эра полупроводников действительно обусловлена трансформацией производства и транспортировки энергии».

Управление ростом количества пластин, устройств и модулей SiC может быть самым сложным аспектом рынка SiC на сегодняшний день, наряду с проблемами цепочки поставок, заполнением технологических пробелов и геополитическими изменениями. Тем не менее, индустрия полупроводниковых технологий, похоже, достигла консенсуса по многим вопросам, особенно в отношении требований к энергоэффективности и производительности следующего поколения.