Полупроводниковые материалы из карбида кремния

Третье поколение полупроводников обладает превосходными характеристиками и более широкими возможностями применения.. As the basis for the development of electronic information technology, semiconductor materials have gone through several generations of changes. With the higher requirements of application scenarios, the third-generation semiconductor materials, represented by silicon carbide and gallium nitride, have gradually entered the industrialization and accelerated release phase. Compared with the previous two generations, карбид кремния обладает превосходными характеристиками, такими как сопротивление высокому напряжению, высокая термостойкость и низкие потери, и широко используется для изготовления высокотемпературных, высокая частота, мощные и радиационно стойкие электронные устройства.

Карбид кремния devices have a wide range of applications. Из-за высокой теплопроводности, высокая напряженность электрического поля пробоя и высокая плотность тока, полупроводниковые устройства на основе материалов карбида кремния могут использоваться во многих областях промышленности, таких как автомобили, зарядные устройства, портативные источники питания, устройства связи, роботизированное оружие, и летательные аппараты. Сфера его применения становится все популярнее и углубляется., очень широкий спектр перспектив применения, очень ценные материалы.

Анализ преимуществ карбида кремния

Ширина запрещенной зоны полупроводникового материала третьего поколения намного больше, чем у первых двух поколений.. Полупроводники первого и второго поколений представляют собой полупроводники с узкой запрещенной зоной., а от третьего поколения полупроводников, широкая полоса (ширина запрещенной зоны больше 2,2 эВ) полупроводниковые материалы стали использоваться в больших количествах. Карбид кремния, как типичный представитель полупроводников третьего поколения, имеет более 200 пространственные структуры, и разные структуры соответствуют разным значениям ширины запрещенной зоны, обычно между 2,4 эВ и 3,35 эВ. В дополнение к широкой полосе, материалы из карбида кремния также обладают преимуществами высокой напряженности поля пробоя., высокая скорость дрейфа насыщения и высокая стабильность, и максимальная мощность.

Широкая полоса: улучшить стабильность материала и напряженность поля пробоя

Ширина запрещенной зоны определяет свойства материала, широкая запрещенная зона для улучшения производительности. Широкая полоса пропускания является важным показателем производительности полупроводников.. Более широкая полоса означает более высокие требования к возбуждению, т.е., более сложное образование электронов и дырок, что приводит к широкозонным полупроводникам, которые сохраняют свойства изолятора, когда от них не требуется работать., что также делает их более стабильными, и широкая полоса также помогает улучшить напряженность электрического поля пробоя, что, в свою очередь, повышает способность противостоять рабочей среде, что отражено в лучшей термостойкости и стойкости к высокому напряжению, радиационная стойкость.

Большая разница энергий между зоной проводимости и валентной зоной в широкозонной системе снижает скорость соединения электронов и дырок после возбуждения., что позволяет использовать больше электронов и дырок для проводимости или теплопередачи, что является одной из причин более сильной тепло- и электропроводности карбида кремния..

 

На основании этих характеристик, устройства из карбида кремния могут работать с более высокой интенсивностью, а также способны быстрее рассеивать тепло, с более высокими предельными рабочими температурами. Характеристики стойкости к высоким температурам могут привести к значительному увеличению удельной мощности при одновременном снижении требований к системам отвода тепла., позволяет использовать более легкие и меньшие терминалы. The high forbidden band width of silicon carbide also allows silicon carbide devices to leak significantly less current than silicon devices, тем самым снижая потери мощности; устройства из карбида кремния не имеют остаточного тока в процессе отключения, что приводит к низким потерям переключения и значительному увеличению частоты переключения практических приложений.

Высокое напряжение пробоя: Обеспечение большего рабочего диапазона и диапазона мощности

Чем выше напряжение пробоя, чем больше рабочий диапазон и диапазон мощности. Напряжение пробоя относится к напряжению, при котором происходит пробой диэлектрика.. Для полупроводников, после достижения напряжения пробоя, the semiconductor loses its dielectric properties and becomes inoperable due to the destruction of its internal structure, which is similar to that of a conductor. Следовательно, a higher breakdown field means a larger operating range and power range, т.е., the higher the breakdown field, the better.

Silicon carbide devices are more powerful, smaller, and have lower energy losses. Из-за более высокого напряжения пробоя, карбид кремния может найти широкое применение при изготовлении мощных приборов, преимущество, которое нельзя заменить полупроводниками на основе кремния. Более высокий уровень разрушения карбида кремния позволяет силовым устройствам из карбида кремния иметь более тонкие и сильно легированные барьерные слои., что позволяет использовать карбидокремниевые материалы, чтобы сделать устройства тоньше при тех же требованиях, что может служить для экономии места и увеличения удельной плотности энергии. Кроме того, высокое поле пробоя также позволяет карбиду кремния иметь более низкое сопротивление в открытом состоянии при внешнем напряжении., а более низкое сопротивление во включенном состоянии означает меньшие потери энергии.

Высокая скорость дрейфа насыщения: меньше потерь энергии

Карбид кремния имеет более высокую скорость дрейфа насыщения из-за своей внутренней структуры.. Теоретически, скорость дрейфа может неограниченно возрастать с увеличением внешнего электрического поля, но на практике, по мере увеличения приложенного электрического поля, столкновение между носителями внутри материала также увеличивается, так что есть скорость дрейфа насыщения. В случае карбида кремния, внутренняя структура очень хорошо буферизует столкновения, поэтому он имеет более высокую скорость дрейфа насыщения.

Высокая скорость дрейфа насыщения приводит к меньшим потерям энергии. Высокая скорость дрейфа насыщения означает более быструю миграцию носителей и более низкое сопротивление. Это также приводит к значительному снижению потерь энергии в материалах из карбида кремния.. По сравнению с кремнием, МОП-транзистор на основе карбида кремния того же размера имеет 1/200 более низкое сопротивление во включенном состоянии и 1/10 меньший размер, чем у MOSFET на основе кремния, а инвертор, использующий полевой МОП-транзистор на основе карбида кремния того же размера, имеет менее 1/4 общих потерь энергии по сравнению с IGBT на основе кремния. These characteristics provide a strong support for the применение карбида кремния materials in PV inverters and high frequency devices.

Silicon carbide industry chain

Foreign manufacturers are mostly laid out in IDM mode, while domestic companies focus on individual links. Silicon carbide industry chain can be divided into: substrate, эпитаксия, device, and end-use. Most foreign companies are in the IDM mode, such as Wolfspeed, Rohm and STMicroelectronics (ST), while domestic companies focus on single link manufacturing, such as Tianke Heda and Tianyue Advanced in the substrate field, Hantian Tiancheng and Dongguan Tiandian in the epitaxial field, and Starr Peninsula and Tyco Tianrun in the device field.

Substrates and epitaxy account for 70% of the cost of silicon carbide devices. Due to the difficulty of material preparation, low yield rate and small production capacity, the value of the current industry chain is concentrated in the substrate and epitaxial parts, with the front-end parts accounting for 47% а также 23% of the cost of silicon carbide devices, while the back-end design, manufacturing and packaging segments account for only 30%.

Последующее использование карбида кремния

Транспортные средства на новой энергии

Сектор транспортных средств с новой энергией принесет огромный прирост для силовых устройств SiC.. В транспортных средствах с новой энергией, Устройства SiC в основном используются в преобразователях главного привода., ОВС (бортовые зарядные устройства), Бортовые преобразователи питания постоянного тока и мощные зарядные устройства постоянного тока постоянного тока. С введением основными производителями транспортных средств платформ с напряжением 800 В., the main drive inverter of motor controllers will inevitably be replaced by SiC-MOS with silicon-based IGBTs to meet the demand of high current and high voltage, which will bring huge growth space.

The power module in the motor controller accounts for 8% of the cost of the vehicle. It is responsible for converting the high-voltage DC power output from the power battery into three-phase AC power with variable frequency and current, supplying power to the drive motor, changing the speed and torque of the motor, and rectifying the three-phase AC power from the motor into DC power to charge the power battery during energy recovery. The power module accounts for 41% of its cost, или 8% of the vehicle cost.

The benefits of using silicon carbide devices include:

1) Improved acceleration. The use of silicon carbide devices allows the drive motor to withstand higher input power at low speeds, and because of its high thermal performance, it is not afraid of thermal effects and power losses caused by excessive current. This allows the drive motor to deliver more torque when the vehicle starts, resulting in greater acceleration.

SiC devices can be used to increase the range of electric vehicles by reducing losses in both on/off dimensions. According to Infineon’s research data, SiC-MOS turn-off loss is about 20% of Si-IGBT at 25°C junction temperature, а также 10% of Si-IGBT at 175°C junction temperature. Общий, the use of SiC devices in new energy vehicles can increase the range by 5-10%.

3) Lightweighting. Thanks to the superior performance of SiC, SiC devices can reduce the size in the following aspects: 1) smaller package size, 2) less filters and passive components such as transformers, capacitors, inductors, и т.п., 3) less heat sink size, а также 4) less battery capacity within the same range. The SiC inverter designed by Rohm, Например, reduces the size of the main inverter by 43% and the weight by 6 kg by using all SiC modules.

4) Reduce system cost. В настоящее время, SiC devices are 4-6 times more expensive than silicon-based devices, but the use of SiC devices has resulted in a significant reduction in battery cost and an increase in range, which in turn has reduced the overall vehicle cost. The cost increase for the SiC-MOS drive inverter is about $75-$200, but the cost savings from the battery, passive components, and cooling system is $525-$850, a significant reduction in systemic costs. For the same mileage, the SiC inverter can save at least $200 per vehicle.

Photovoltaic Inverters

Silicon carbide power devices can improve the conversion efficiency of PV inverters and reduce energy losses. In photovoltaic power generation, conventional inverters based on silicon-based devices currently account for about 10% of the system cost, but are one of the main sources of system energy losses. By using SiC-MOS as the base material, the conversion efficiency of PV inverters can be increased from 96% to more than 99%, energy loss can be reduced by more than 50%, and equipment cycle life can be increased by 50 раз, thus reducing system size, increasing power density, extending device life, and reducing production cost. High efficiency, high power density, high reliability and low cost are the future trends of PV inverters. Silicon carbide products are expected to gradually replace silicon based devices in string and centralized PV inverters. В настоящий момент, there are few domestic applications of silicon carbide PV inverters in the PV field, but there are already PV inverter companies around the world that are using silicon carbide PV inverters, such as the TLM series from Ingeteam in Spain.

Rail Transportation

In rail transportation, power semiconductor devices are widely used in rail vehicles, including traction converters, auxiliary converters, main and auxiliary converters, power electronic transformers, and power chargers. Among them, the traction converter is the core equipment of the high-power AC transmission system of locomotives. The application of silicon carbide devices in rail transit traction converters can greatly exert the high temperature, high frequency and low loss characteristics of silicon carbide devices, improve the efficiency of traction converter devices, meet the demand for high-capacity, lightweight and energy-saving traction converter devices for rail transit, and improve the overall efficiency of the system.

Smart Grid

In the smart grid, compared with other power electronic devices, the power system requires higher voltage, higher power capacity and higher reliability. DC transmission, high-voltage DC transmission and power distribution systems to promote the development and change of smart grid.

RF field

In RF devices, GaN RF devices based on silicon carbide substrate have the advantages of high thermal conductivity of silicon carbide and high power RF output of GaN in high frequency band, and break through the inherent defects of GaAs and silicon-based LDMOS devices to meet the requirements of 5G communication for high frequency performance and high power processing capability. GaN-based RF devices have become the mainstream technology route for 5G power amplifiers, especially for macro base station power amplifiers.

Calculation of the global market space of silicon carbide substrate

Silicon carbide substrates are essential for the preparation of silicon carbide devices and are currently the most costly part of silicon carbide devices. Здесь, we estimate the global market space and substrate demand for silicon carbide substrates from 2021 к 2025 in the field of new energy vehicles and photovoltaics, and forecast the total market space and substrate demand for silicon carbide substrates with this reference.

New energy vehicles: 25 years demand may reach 3 миллион штук, the market space of more than 10 миллиард юаней

For the new energy vehicle market forecast, we make the following assumptions on key parameters:

The current average price of 6-inch silicon carbide is 1000 U.S. dollars, о 6400 юань / piece, due to the future development of the technical route on the 6-inch and the formation of further economies of scale, ожидается, что цены на карбид кремния продемонстрируют общую тенденцию к снижению, для определенного ценового тренда, мы 2021-2025 снижение цены субстрата в следующих трех допущениях:

• 1) 10% снижение;
• 2) 15% снижение;
• 3) 20% снижение.

Количество субстратов, потребляемых на транспортное средство: Учитывая будущее снижение цен, применение карбида кремния в новых транспортных средствах будет постепенно увеличиваться., на основе текущей модели 3 одноместное транспортное средство с 48 чипы MOSFET из карбида кремния, количество 6-дюймовых подложек, используемых в одном автомобиле, составляет около 0.16 частей, а затем постепенно дорасти до 0.4 штук в 2025.

Penetration rate: The penetration rate is defined as the percentage of new energy vehicle sales using SiC devices in the total new energy vehicle sales. 14% penetration rate in 2021 а также 6% penetration rate growth is expected from 2021-2025.

Combined with the above data and assumptions, in the 10%/15%/20% price reduction is expected, the market of silicon carbide substrates in the field of new energy vehicles may reach 12.8/10.2/80 миллиард юаней, and the corresponding substrate demand will reach 3.04 миллион штук.

Фотогальваническое поле: 25 years demand or more than 500,000 частей, the market space of 2 миллиард юаней

The global new installed capacity: silicon carbide substrates are mainly used in PV inverters in the PV industry, with global installed capacity of 137GW in 2020 and expected to exceed 400GW in 2025, based on 400GW as a reference. 2021 data is converted from relevant data in Sunshine Power’s annual report, which is about 156GW.

IGBT cost ratio: According to the data disclosed in the prospectus, the cost ratio of silicon-based IGBT is about 10% of the total cost of PV inverters, and it is assumed that the cost ratio of silicon-based IGBT will remain unchanged in the next few years.

Inverter price: В 2021, the materials of Sunshine Power’s PV inverters are basically silicon-based materials, with sales volume of 47GW and business revenue of RMB 9.05 billion, so the price of silicon-based PV inverters is about RMB 0.19/W. According to the inverter price change data of Sunshine Power from 2017 к 2021, the average annual price decreases by about RMB 0.02/W. Следовательно, it is expected that the price will gradually decrease in the future. Следовательно, it is expected that the price will gradually decrease in the future, assuming that the price will decrease at the rate of 0.02 Yuan/W per year to 0.13 Yuan/W.

Карбид кремния / silicon price ratio: the current price ratio of silicon carbide devices and silicon-based devices is about 4, and in the future it is expected that the cost substitution ratio will be reduced, the proportion of decline should be positively correlated with the price change, so it is assumed that the cost substitution ratio decreases every year.

Substrate cost ratio: Текущее соотношение субстрата 46%, и ожидается, что этот коэффициент будет уменьшаться со скоростью 3% в год.

Penetration rate: Скорость проникновения здесь относится к проценту фотоэлектрических инверторов из карбида кремния в общем количестве инверторов.. Ссылаясь на данные CASA, скорость проникновения 10% в 2021, и, как ожидается, будет расти со скоростью 10% в год. По 2025, скорость проникновения достигнет 50%.

Объединение приведенных выше данных и предположений, в следующей таблице показано, что рыночное пространство будет расти со среднегодовым темпом роста 39% и спрос будет расти со среднегодовым темпом роста 58%. По 2025, рыночное пространство достигнет 2 млрд юаней, а спрос на субстраты превысит 500,000 частей.

Общая оценка рынка

Согласно отчету инвесторов Wolfspeed, доля автомобилей на новой энергии + фотоэлектрические в общем рынке карбида кремния 77% в 2021, и, как ожидается, достигнет 86% в 2027. Следовательно, доля рынка в этой части прогноза 77% в 2021, и, как ожидается, достигнет 85% в 2025, на основе 2% годовой темп роста. Согласно приведенным выше данным, общий размер мирового рынка подложек из карбида кремния вырастет с 1.9 миллиардов юаней в 14.3 млрд юаней от 2021 к 2025, и спрос будет расти с 300,000 части к 4.2 миллион штук.

Silicon Carbide Upstream Suppliers

As a leading silicon carbide raw material supplier in China, Импорт абразивных материалов Хэнань Superior & Экспорт Ко., ООО. has steadily supplied high quality черный карбид кремния а также зеленый карбид кремния to many silicon carbide companies around the world, and our markets cover USA, Канада, Mexico, Peru, Chile, UAE, Saudi Arabia, Россия, Испания, Южная Африка, Юго-Восточная Азия, так далее. If you have any demand for микро порошок карбида кремния, silicon carbide macro grit, please contact us to get the latest offer of silicon carbide in 2022.