Siliziumkarbid-Halbleitermaterialien

Die dritte Generation von Halbleitern hat eine überlegene Leistung und breitere Anwendungsszenarien. Als Grundlage für die Entwicklung der elektronischen Informationstechnik, Halbleitermaterialien haben mehrere Generationen von Veränderungen durchlaufen. Mit den höheren Anforderungen von Anwendungsszenarien, die Halbleitermaterialien der dritten Generation, vertreten durch Siliziumcarbid und Galliumnitrid, sind nach und nach in die Industrialisierungs- und beschleunigte Freigabephase eingetreten. Verglichen mit den beiden vorherigen Generationen, Siliziumkarbid hat eine überlegene Leistung wie Hochspannungsfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und geringe Verluste, und wird häufig bei der Herstellung von Hochtemperaturen verwendet, Hochfrequenz, Hochleistungs- und strahlungsbeständige elektronische Geräte.

Siliziumkarbid Geräte haben ein breites Anwendungsspektrum. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, hohe elektrische Durchschlagsfeldstärke und hohe Stromdichte, Halbleiterbauelemente auf der Basis von Siliziumkarbidmaterialien können in vielen industriellen Bereichen, wie z. B. Automobilen, verwendet werden, Ladegeräte, tragbare Netzteile, Kommunikationsgeräte, Roboterarme, und Flugmaschinen. Der Umfang seiner Anwendung wird immer beliebter und vertieft sich, ist ein sehr breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten, sehr wertvolle Materialien.

Analyse der Vorteile von Siliziumkarbid

Die verbotene Bandbreite des Halbleitermaterials der dritten Generation ist viel größer als die der ersten beiden Generationen. Die Halbleiter der ersten und zweiten Generation sind Halbleiter mit schmaler Bandlücke, während aus der dritten Generation von Halbleitern, breites Band (Bandlücke größer als 2,2 eV) Halbleitermaterialien wurden in großer Zahl verwendet. Siliziumkarbid, als typischer Vertreter der Halbleiter der dritten Generation, hat mehr als 200 räumliche Strukturen, und unterschiedliche Strukturen entsprechen unterschiedlichen Bandlückenwerten, im Allgemeinen zwischen 2,4 eV und 3,35 eV. Neben Breitband, Siliziumkarbidmaterialien haben auch die Vorteile einer hohen Durchschlagsfeldstärke, hohe Sättigungsdriftrate und hohe Stabilität, und maximale Leistung.

Breites Band: Verbesserung der Materialstabilität und Durchschlagsfeldstärke

Die verbotene Bandbreite bestimmt die Materialeigenschaften, breites verbotenes Band, um eine bessere Leistung zu verbessern. Die breite Bandbreite ist ein wichtiger Indikator für die Halbleiterleistung. Ein breiteres Band bedeutet höhere Erregungsanforderungen, d.h., erschwerte Bildung von Elektronen und Löchern, Dies führt zu Halbleitern mit breiter Bandlücke, die isolatorähnliche Eigenschaften beibehalten, wenn sie nicht arbeiten müssen, was sie auch stabiler macht, und ein breites Band hilft auch, die elektrische Feldstärke des Durchbruchs zu verbessern, was wiederum die Fähigkeit verbessert, der Betriebsumgebung zu widerstehen, wie sich in der besseren Hitze- und Hochspannungsbeständigkeit widerspiegelt, Strahlungsbeständigkeit.

Die hohe Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband im Breitbandsystem verringert die Verbindungsrate von Elektronen und Löchern nach der Anregung, wodurch mehr Elektronen und Löcher für die Leitfähigkeit oder Wärmeübertragung verwendet werden können, was einer der Gründe für die stärkere thermische und elektrische Leitfähigkeit von Siliziumkarbid ist.

 

Basierend auf diesen Eigenschaften, Siliziumkarbid-Vorrichtungen können mit höheren Intensitäten betrieben werden und sind auch in der Lage, Wärme schneller abzuleiten, mit höheren Endbetriebstemperaturen. Die Eigenschaften der Hochtemperaturbeständigkeit können zu einer signifikanten Erhöhung der Leistungsdichte führen und gleichzeitig die Anforderungen an Wärmeableitungssysteme reduzieren, was leichtere und kleinere Terminals ermöglicht. Die hohe verbotene Bandbreite von Siliziumkarbid ermöglicht auch, dass Siliziumkarbid-Vorrichtungen deutlich weniger Strom lecken als Silizium-Vorrichtungen, wodurch der Leistungsverlust reduziert wird; Siliziumkarbid-Vorrichtungen haben während des Abschaltvorgangs keinen Stromnachlauf, was zu niedrigen Schaltverlusten und einer deutlichen Erhöhung der Schaltfrequenz in praktischen Anwendungen führt.

Hohe Durchbruchspannung: Größere Betriebs- und Leistungsreichweite

Je höher die Durchbruchspannung, desto größer der Betriebs- und Leistungsbereich. Die Durchschlagsspannung bezieht sich auf die Spannung, bei der das Dielektrikum durchbricht. Für Halbleiter, sobald die Durchbruchspannung erreicht ist, der Halbleiter verliert seine dielektrischen Eigenschaften und wird durch die Zerstörung seiner inneren Struktur funktionsunfähig, das ist ähnlich wie bei einem Dirigenten. Deswegen, ein höheres Durchschlagsfeld bedeutet einen größeren Betriebs- und Leistungsbereich, d.h., desto höher das Aufschlüsselungsfeld, desto besser.

Siliziumkarbid-Geräte sind leistungsfähiger, kleiner, und haben geringere Energieverluste. Wegen seiner höheren Durchbruchspannung, Siliziumkarbid kann in großem Umfang bei der Herstellung von Hochleistungsgeräten verwendet werden, ein Vorteil, der durch siliziumbasierte Halbleiter nicht zu ersetzen ist. Der höhere Abbau von Siliziumkarbid ermöglicht Siliziumkarbid-Leistungsvorrichtungen, dünnere und stärker dotierte Sperrschichten aufzuweisen, Dies ermöglicht die Verwendung von Siliziumkarbid-Materialien, um die Geräte für die gleichen Anforderungen dünner zu machen, was zur Platzeinsparung und zur Erhöhung der Energiedichte der Einheit dienen kann. Zusätzlich, das hohe Durchbruchfeld ermöglicht auch, dass das Siliziumkarbid einen niedrigeren Einschaltwiderstand bei der externen Spannung hat, und ein geringerer Einschaltwiderstand bedeutet einen geringeren Energieverlust.

Hohe Sättigungsdriftrate: weniger Energieverlust

Siliziumkarbid hat aufgrund seiner inneren Struktur eine höhere Sättigungsdriftrate. Theoretisch, die Driftgeschwindigkeit kann mit der Erhöhung des äußeren elektrischen Feldes unbegrenzt erhöht werden, aber in der praxis, wenn das angelegte elektrische Feld zunimmt, die Kollision zwischen Ladungsträgern innerhalb des Materials nimmt ebenfalls zu, es gibt also eine Sättigungsdriftgeschwindigkeit. Im Fall von Siliziumkarbid, Die interne Struktur puffert Kollisionen sehr gut ab, es hat also eine höhere Sättigungsdriftrate.

Die hohe Sättigungsdriftrate führt zu weniger Energieverlust. Eine hohe Sättigungsdriftrate bedeutet eine schnellere Ladungsträgermigration und einen geringeren Widerstand. Dies führt auch zu viel geringeren Energieverlusten in Siliziumkarbid-Werkstoffen. Im Vergleich zu Silizium, ein Siliziumkarbid-basierter MOSFET der gleichen Größe hat 1/200 geringerer On-Widerstand u 1/10 kleiner als ein Silizium-basierter MOSFET, und ein Wechselrichter, der einen Siliziumkarbid-basierten MOSFET der gleichen Größe verwendet, hat weniger als 1/4 des Gesamtenergieverlusts im Vergleich zu einem Silizium-basierten IGBT. Diese Eigenschaften bieten eine starke Unterstützung für die Anwendung von Siliziumkarbid Materialien in PV-Wechselrichtern und Hochfrequenzgeräten.

Industriekette aus Siliziumkarbid

Ausländische Hersteller sind meist im IDM-Modus ausgelegt, während sich inländische Unternehmen auf einzelne Verbindungen konzentrieren. Die Siliziumkarbid-Industriekette kann unterteilt werden: Substrat, Epitaxie, Gerät, und Endverbrauch. Die meisten ausländischen Unternehmen befinden sich im IDM-Modus, wie Wolfspeed, Rohm und STMicroelectronics (ST), während sich inländische Unternehmen auf die Herstellung von Einzelgliedern konzentrieren, wie Tianke Heda und Tianyue Advanced im Substratbereich, Hantian Tiancheng und Dongguan Tiandian im Epitaxiebereich, und Starr Peninsula und Tyco Tianrun im Gerätebereich.

Substrate und Epitaxie entfallen 70% der Kosten für Siliziumkarbid-Geräte. Aufgrund der Schwierigkeit der Materialvorbereitung, niedrige Ertragsrate und geringe Produktionskapazität, Der Wert der aktuellen Industriekette konzentriert sich auf das Substrat und die epitaktischen Teile, mit der Berücksichtigung der Frontend-Teile 47% und 23% der Kosten für Siliziumkarbid-Geräte, während das Back-End-Design, Herstellungs- und Verpackungssegmente entfallen nur 30%.

Nachgeschaltete Verwendung von Siliziumkarbid

Neue Energiefahrzeuge

Der Sektor der neuen Energiefahrzeuge wird einen enormen Zuwachs für SiC-Leistungsbauelemente bringen. In neuen Energiefahrzeugen, SiC-Bauelemente werden hauptsächlich in Hauptantriebsumrichtern verwendet, OBC (Ladegeräte an Bord), DC-DC-Bordnetzwandler und Hochleistungs-DCDC-Ladegeräte. Mit der Einführung von 800-V-Spannungsplattformen durch große Fahrzeughersteller, Der Hauptantriebsinverter von Motorsteuerungen wird unweigerlich durch SiC-MOS mit siliziumbasierten IGBTs ersetzt, um den Bedarf an Hochstrom und Hochspannung zu decken, was enormen Wachstumsraum bringen wird.

Das Leistungsmodul im Motorcontroller entfällt 8% der Fahrzeugkosten. Es ist verantwortlich für die Umwandlung der Hochspannungs-Gleichstromleistung der Leistungsbatterie in Dreiphasen-Wechselstrom mit variabler Frequenz und Stromstärke, Stromversorgung des Antriebsmotors, Änderung der Drehzahl und des Drehmoments des Motors, und Gleichrichten des dreiphasigen Wechselstroms von dem Motor in Gleichstrom, um die Leistungsbatterie während der Energierückgewinnung zu laden. Das Leistungsmodul entfällt 41% seiner Kosten, oder 8% der Fahrzeugkosten.

Zu den Vorteilen der Verwendung von Siliziumkarbid-Geräten gehören::

1) Verbesserte Beschleunigung. Die Verwendung von Siliziumkarbid-Vorrichtungen ermöglicht es dem Antriebsmotor, einer höheren Eingangsleistung bei niedrigen Geschwindigkeiten standzuhalten, und wegen seiner hohen thermischen Leistung, Es hat keine Angst vor thermischen Effekten und Leistungsverlusten, die durch übermäßigen Strom verursacht werden. Dadurch kann der Antriebsmotor beim Anfahren mehr Drehmoment liefern, was zu einer größeren Beschleunigung führt.

SiC-Vorrichtungen können verwendet werden, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, indem Verluste in beiden Ein-/Aus-Dimensionen reduziert werden. Das geht aus Forschungsdaten von Infineon hervor, SiC-MOS-Ausschaltverlust beträgt ca 20% von Si-IGBT bei 25°C Sperrschichttemperatur, und 10% von Si-IGBT bei 175°C Sperrschichttemperatur. Gesamt, Der Einsatz von SiC-Bauelementen in New Energy Vehicles kann die Reichweite um erhöhen 5-10%.

3) Leichtbau. Dank der überlegenen Leistung von SiC, SiC-Vorrichtungen können die Größe in den folgenden Aspekten reduzieren: 1) kleinere Paketgröße, 2) weniger Filter und passive Komponenten wie Transformatoren, Kondensatoren, Induktoren, usw., 3) weniger Kühlkörpergröße, und 4) weniger Batteriekapazität im gleichen Bereich. Der von Rohm entwickelte SiC-Inverter, zum Beispiel, reduziert die Größe des Hauptwechselrichters um 43% und das Gewicht durch 6 kg durch Verwendung aller SiC-Module.

4) Reduzieren Sie die Systemkosten. Zur Zeit, SiC-Geräte sind 4-6 mal teurer als siliziumbasierte Geräte, Die Verwendung von SiC-Geräten hat jedoch zu einer erheblichen Reduzierung der Batteriekosten und einer Erhöhung der Reichweite geführt, was wiederum die Gesamtfahrzeugkosten reduziert hat. Die Kostensteigerung für den SiC-MOS-Antriebsinverter liegt bei etwa $75-$200, sondern die Kostenersparnis durch die Batterie, Passive Bauteile, und Kühlsystem ist $525-$850, eine deutliche Reduzierung der systemischen Kosten. Bei gleicher Laufleistung, der SiC-Wechselrichter kann immerhin sparen $200 pro Fahrzeug.

Photovoltaik-Wechselrichter

Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente können die Umwandlungseffizienz von PV-Wechselrichtern verbessern und Energieverluste reduzieren. Bei der photovoltaischen Stromerzeugung, Herkömmliche Wechselrichter auf Basis siliziumbasierter Bauelemente machen derzeit ca 10% der Systemkosten, sind jedoch eine der Hauptquellen für Systemenergieverluste. Durch die Verwendung von SiC-MOS als Basismaterial, der Umwandlungswirkungsgrad von PV-Wechselrichtern kann dadurch gesteigert werden 96% zu mehr als 99%, Der Energieverlust kann um mehr als reduziert werden 50%, und Gerätelebensdauer kann erhöht werden durch 50 mal, wodurch die Systemgröße reduziert wird, zunehmende Leistungsdichte, Verlängerung der Gerätelebensdauer, und Reduzierung der Produktionskosten. Hohe Effizienz, hohe Leistungsdichte, Hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten sind die Zukunftstrends von PV-Wechselrichtern. Es wird erwartet, dass Siliziumkarbid-Produkte nach und nach siliziumbasierte Geräte in String- und zentralisierten PV-Wechselrichtern ersetzen werden. Momentan, Es gibt nur wenige heimische Anwendungen von Siliziumkarbid-PV-Wechselrichtern im PV-Bereich, Aber es gibt bereits PV-Wechselrichter-Unternehmen auf der ganzen Welt, die Siliziumkarbid-PV-Wechselrichter verwenden, wie die TLM-Serie von Ingeteam in Spanien.

Schienenverkehr

Im Schienenverkehr, Leistungshalbleiterbauelemente sind in Schienenfahrzeugen weit verbreitet, einschließlich Traktionsumrichter, Hilfskonverter, Haupt- und Hilfsstromrichter, Leistungselektronische Transformatoren, und Ladegeräte. Unter ihnen, Der Traktionsumrichter ist die Kernausrüstung des Hochleistungs-Wechselstrom-Übertragungssystems von Lokomotiven. Die Anwendung von Siliziumkarbid-Vorrichtungen in Traktionsstromrichtern für den Schienenverkehr kann die hohe Temperatur stark belasten, Hochfrequenz- und verlustarme Eigenschaften von Siliziumkarbid-Vorrichtungen, Verbesserung der Effizienz von Traktionsumrichtergeräten, erfüllen die Nachfrage nach hoher Kapazität, leichte und energiesparende Traktionsumrichtergeräte für den Schienenverkehr, und die Gesamteffizienz des Systems zu verbessern.

Intelligentes Netz

Im intelligenten Netz, im Vergleich zu anderen leistungselektronischen Geräten, Das Stromversorgungssystem erfordert eine höhere Spannung, höhere Leistungskapazität und höhere Zuverlässigkeit. Gleichstromübertragung, Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs- und Stromverteilungssysteme zur Förderung der Entwicklung und des Wandels von Smart Grids.

HF-Feld

Bei HF-Geräten, GaN-HF-Bauelemente auf Basis von Siliziumkarbid-Substrat haben die Vorteile der hohen Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid und der hohen HF-Ausgangsleistung von GaN im Hochfrequenzband, und durchbrechen Sie die inhärenten Mängel von GaAs- und Silizium-basierten LDMOS-Geräten, um die Anforderungen der 5G-Kommunikation für Hochfrequenzleistung und Hochleistungsverarbeitungsfähigkeit zu erfüllen. GaN-basierte HF-Geräte sind zur Mainstream-Technologieroute für 5G-Leistungsverstärker geworden, speziell für Makro-Basisstations-Leistungsverstärker.

Berechnung des globalen Marktraums von Siliziumkarbid-Substraten

Siliziumkarbid-Substrate sind für die Herstellung von Siliziumkarbid-Vorrichtungen wesentlich und derzeit der teuerste Teil von Siliziumkarbid-Vorrichtungen. Hier, Wir schätzen den weltweiten Marktflächen- und Substratbedarf für Siliziumkarbid-Substrate ab 2021 zu 2025 im Bereich New Energy Vehicles und Photovoltaik, und prognostizieren Sie den gesamten Marktflächen- und Substratbedarf für Siliziumkarbid-Substrate mit dieser Referenz.

Neue Energiefahrzeuge: 25 Jahre kann die Nachfrage erreichen 3 Millionen Stück, die Marktfläche von mehr als 10 Milliarden Yuan

Für die Marktprognose für neue Energiefahrzeuge, Wir treffen die folgenden Annahmen zu Schlüsselparametern:

Der aktuelle Durchschnittspreis von 6-Zoll-Siliziumkarbid ist 1000 UNS. Dollar, um 6400 Yuan / Stück, aufgrund der zukünftigen Weiterentwicklung der technischen Route auf 6 Zoll und der Bildung weiterer Skaleneffekte, Es wird erwartet, dass die Siliziumkarbidpreise einen allgemeinen Rückgangstendenz aufweisen werden, für die spezifische Preisentwicklung, Wir 2021-2025 Substratpreisrückgang in den folgenden drei Annahmen:

• 1) 10% die Ermäßigung;
• 2) 15% die Ermäßigung;
• 3) 20% die Ermäßigung.

Die Anzahl der pro Fahrzeug verbrauchten Substrate: In Anbetracht des zukünftigen Preisrückgangs wird die Anwendung von Siliziumkarbid in Fahrzeugen mit neuer Energie schrittweise zunehmen, basierend auf dem aktuellen Modell 3 Einzelfahrzeug mit 48 Siliziumkarbid-MOSFET-Chips, die Anzahl der 6-Zoll-Substrate, die in einem einzelnen Fahrzeug verwendet werden, liegt bei etwa 0.16 Stücke, und dann nach und nach wachsen 0.4 Stücke hinein 2025.

Penetrationsrate: Die Penetrationsrate ist definiert als der prozentuale Anteil der Verkäufe von Fahrzeugen mit neuer Energie, die SiC-Vorrichtungen verwenden, an den Gesamtverkäufen von Fahrzeugen mit neuer Energie. 14% Durchdringungsrate bei 2021 und 6% Penetrationsrate Wachstum wird von erwartet 2021-2025.

Kombiniert mit den oben genannten Daten und Annahmen, in dem 10%/15%/20% Preissenkung erwartet, den Markt für Siliziumkarbid-Substrate im Bereich New Energy Vehicles erreichen kann 12.8/10.2/80 Milliarden Yuan, und die entsprechende Substratnachfrage erreichen wird 3.04 Millionen Stück.

Photovoltaik-Feld: 25 Jahre Nachfrage oder mehr als 500,000 Stücke, der Marktplatz von 2 Milliarden Yuan

Die weltweit neu installierte Kapazität: Siliziumkarbid-Substrate werden hauptsächlich in PV-Wechselrichtern in der PV-Industrie verwendet, mit einer weltweit installierten Kapazität von 137 GW in 2020 und wird voraussichtlich 400 GW überschreiten 2025, basierend auf 400 GW als Referenz. 2021 Daten werden aus relevanten Daten im Jahresbericht von Sunshine Power konvertiert, Das sind etwa 156 GW.

IGBT-Kostenverhältnis: Gemäß den Angaben im Prospekt, das Kostenverhältnis von siliziumbasierten IGBT liegt bei etwa 10% der Gesamtkosten von PV-Wechselrichtern, und es wird davon ausgegangen, dass das Kostenverhältnis von siliziumbasierten IGBTs in den nächsten Jahren unverändert bleiben wird.

Preis des Wechselrichters: Im 2021, Die Materialien der PV-Wechselrichter von Sunshine Power sind im Wesentlichen Materialien auf Siliziumbasis, mit einem Verkaufsvolumen von 47 GW und einem Geschäftsumsatz von RMB 9.05 Milliarde, Der Preis für siliziumbasierte PV-Wechselrichter liegt also bei etwa 0,19 RMB/W. Entsprechend ändern sich die Wechselrichter-Preisdaten von Sunshine Power 2017 zu 2021, der durchschnittliche Jahrespreis sinkt um etwa 0,02 RMB/W. Deswegen, Es wird erwartet, dass der Preis in Zukunft allmählich sinken wird. Deswegen, Es wird erwartet, dass der Preis in Zukunft allmählich sinken wird, unter der Annahme, dass der Preis mit einer Rate von sinkt 0.02 Yuan/W pro Jahr zu 0.13 Yuan/W.

Siliziumkarbid / Silizium Preisverhältnis: das aktuelle Preisverhältnis von Siliziumkarbid-Geräten und Silizium-basierten Geräten ist etwa 4, und für die Zukunft wird erwartet, dass das Kostensubstitutionsverhältnis reduziert wird, der Anteil des Rückgangs sollte positiv mit der Preisänderung korreliert sein, es wird also davon ausgegangen, dass das Kostenersatzverhältnis jedes Jahr abnimmt.

Substratkostenverhältnis: Das aktuelle Substratverhältnis ist 46%, und das Verhältnis wird voraussichtlich mit einer Rate von sinken 3% pro Jahr.

Penetrationsrate: Die Penetrationsrate bezieht sich hier auf den Anteil von Siliziumkarbid-PV-Wechselrichtern an den gesamten Wechselrichtern. Bezugnehmend auf CASA-Daten, die Penetrationsrate ist 10% In 2021, und wird voraussichtlich mit einer Rate von wachsen 10% pro Jahr. Durch 2025, die Penetrationsrate wird erreichen 50%.

Kombinieren der obigen Daten und Annahmen, Die folgende Tabelle zeigt, dass der Marktraum mit einer CAGR von wachsen wird 39% und die Nachfrage wird bei einer CAGR von wachsen 58%. Durch 2025, der Marktraum wird reichen 2 Milliarden Yuan und die Nachfrage nach Substraten wird übersteigen 500,000 Stücke.

Gesamtmarktschätzung

Laut dem Wolfspeed-Investorenbericht, der Anteil von Fahrzeugen mit neuer Energie + Photovoltaik im Gesamtmarkt von Siliziumkarbid ist 77% In 2021, und voraussichtlich erreichen 86% In 2027. Deswegen, der Marktanteil in diesem Teil der Projektion ist 77% In 2021, und voraussichtlich erreichen 85% In 2025, basierend auf a 2% Jährliche Wachstumsrate. Nach den oben genannten Daten, Die Gesamtmarktgröße des globalen Siliziumkarbidsubstrats wird wachsen 1.9 Milliarden Yuan zu 14.3 Milliarden Yuan ab 2021 zu 2025, und die Nachfrage wird wachsen 300,000 Stücke zu 4.2 Millionen Stück.

Vorgelagerte Lieferanten von Siliziumkarbid

Als führender Siliziumkarbid-Rohstofflieferant in China, Henan Superior Abrasives Import & Export Co., GmbH. hat konstant hohe Qualität geliefert schwarzes Siliziumkarbid und grünes Siliziumcarbid an viele Siliziumkarbid-Unternehmen auf der ganzen Welt, und unsere Märkte decken die USA ab, Kanada, Mexiko, Peru, Chile, Vereinigte Arabische Emirate, Saudi-Arabien, Russland, Spanien, Südafrika, Südostasien, etc. Wenn Sie eine Nachfrage haben Siliziumkarbid-Mikropulver, Siliziumkarbid-Makrokörnung, Bitte kontaktieren Sie uns, um das neueste Angebot an Siliziumkarbid zu erhalten 2022.