Matériaux semi-conducteurs en carbure de silicium

La troisième génération de semi-conducteurs a des performances supérieures et des scénarios d'application plus larges. Comme base pour le développement de la technologie de l'information électronique, les matériaux semi-conducteurs ont traversé plusieurs générations de changements. Avec les exigences plus élevées des scénarios d'application, les matériaux semi-conducteurs de troisième génération, représenté par le carbure de silicium et le nitrure de gallium, sont progressivement entrés en phase d'industrialisation et de release accélérée. Par rapport aux deux générations précédentes, le carbure de silicium a des performances supérieures telles que la résistance à haute tension, résistance à haute température et faible perte, et est largement utilisé dans la fabrication à haute température, haute fréquence, appareils électroniques à haute puissance et résistants aux radiations.

Carbure de silicium les appareils ont un large éventail d’applications. En raison de sa conductivité thermique élevée, intensité élevée du champ électrique de claquage et densité de courant élevée, les dispositifs semi-conducteurs à base de matériaux en carbure de silicium peuvent être utilisés dans de nombreux domaines industriels tels que l'automobile, dispositifs de charge, alimentations portables, des dispositifs de communication, bras robotiques, et machines volantes. La portée de son application devient de plus en plus populaire et s'approfondit, est un très large éventail de perspectives d'application, des matériaux très précieux.

Analyse des avantages du carbure de silicium

La largeur de bande interdite du matériau semi-conducteur de troisième génération est beaucoup plus grande que les deux premières générations. Les semi-conducteurs de première et deuxième générations sont des semi-conducteurs à bande interdite étroite, tandis qu'à partir de la troisième génération de semi-conducteurs, large bande (bande interdite supérieure à 2,2 eV) les matériaux semi-conducteurs ont commencé à être utilisés en grand nombre. Carbure de silicium, en tant que représentant typique des semi-conducteurs de troisième génération, a plus que 200 structures spatiales, et différentes structures correspondent à différentes valeurs de bande interdite, généralement entre 2,4 eV et 3,35 eV. En plus du large bande, les matériaux en carbure de silicium présentent également les avantages d'une intensité de champ de claquage élevée, taux de dérive de saturation élevé et stabilité élevée, et puissance maximale.

Large bande: améliorer la stabilité du matériau et l'intensité du champ de claquage

La largeur de bande interdite détermine les propriétés du matériau, large bande interdite pour améliorer les performances. La large bande passante est un indicateur important des performances des semi-conducteurs. Une bande plus large signifie des exigences d'excitation plus élevées, c'est à dire., formation plus difficile d'électrons et de trous, ce qui se traduit par des semi-conducteurs à large bande interdite qui conservent des propriétés de type isolant lorsqu'ils ne sont pas tenus de fonctionner, ce qui les rend également plus stables, et une large bande contribue également à améliorer l'intensité du champ électrique de claquage, qui à son tour améliore la capacité à résister à l'environnement d'exploitation, comme en témoigne la meilleure résistance à la chaleur et à la haute tension, résistance aux radiations.

La grande différence d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence dans le système à large bande réduit le taux de composition des électrons et des trous après excitation, qui permet d'utiliser plus d'électrons et de trous pour la conductivité ou le transfert de chaleur, qui est l'une des raisons de la plus forte conductivité thermique et électrique du carbure de silicium.

 

Sur la base de ces caractéristiques, les dispositifs au carbure de silicium peuvent fonctionner à des intensités plus élevées et sont également capables de dissiper la chaleur plus rapidement, avec des températures de fonctionnement ultimes plus élevées. Les caractéristiques de résistance à haute température peuvent entraîner une augmentation significative de la densité de puissance tout en réduisant les exigences en matière de systèmes de dissipation thermique, permettant des terminaux plus légers et plus petits. La largeur de bande interdite élevée du carbure de silicium permet également aux dispositifs en carbure de silicium de laisser échapper beaucoup moins de courant que les dispositifs en silicium, réduisant ainsi la perte de puissance; les dispositifs en carbure de silicium n'ont pas de fuite de courant pendant le processus d'arrêt, entraînant de faibles pertes de commutation et augmentant considérablement la fréquence de commutation des applications pratiques.

Tension de claquage élevée: Apporter une plus grande plage de fonctionnement et une plage de puissance

Plus la tension de claquage est élevée, plus la plage de fonctionnement et la plage de puissance sont grandes. La tension de claquage fait référence à la tension à laquelle le diélectrique casse. Pour les semi-conducteurs, une fois la tension de claquage atteinte, le semi-conducteur perd ses propriétés diélectriques et devient inutilisable en raison de la destruction de sa structure interne, qui est semblable à celle d'un conducteur. Par conséquent, un champ de claquage plus élevé signifie une plage de fonctionnement et une plage de puissance plus grandes, c'est à dire., plus le champ de panne est élevé, le meilleur.

Les dispositifs au carbure de silicium sont plus puissants, plus petit, et ont moins de pertes d'énergie. En raison de sa tension de claquage plus élevée, le carbure de silicium peut être largement utilisé dans la préparation de dispositifs haute puissance, un avantage qui ne peut être remplacé par les semi-conducteurs à base de silicium. La décomposition plus élevée du carbure de silicium permet aux dispositifs d'alimentation en carbure de silicium d'avoir des couches barrières plus fines et plus fortement dopées, qui permet l'utilisation de matériaux en carbure de silicium pour amincir les dispositifs pour les mêmes exigences, qui peut servir à économiser de l'espace et à augmenter la densité d'énergie unitaire. en outre, le champ de claquage élevé permet également au carbure de silicium d'avoir une résistance à l'état passant plus faible dans la tension externe, et une résistance à l'état passant plus faible signifie une perte d'énergie plus faible.

Taux de dérive de saturation élevé: moins de perte d'énergie

Le carbure de silicium a un taux de dérive de saturation plus élevé en raison de sa structure interne. Théoriquement, la vitesse de dérive peut être augmentée indéfiniment avec l'augmentation du champ électrique externe, mais en pratique, lorsque le champ électrique appliqué augmente, la collision entre les porteurs à l'intérieur du matériau augmente également, il y a donc une vitesse de dérive de saturation. Dans le cas du carbure de silicium, la structure interne est très bonne pour amortir les collisions, il a donc un taux de dérive de saturation plus élevé.

Le taux de dérive de saturation élevé entraîne moins de perte d'énergie. Un taux de dérive de saturation élevé signifie une migration plus rapide des porteurs et une résistance plus faible. Cela se traduit également par des pertes d'énergie beaucoup plus faibles dans les matériaux en carbure de silicium. Par rapport au silicium, un MOSFET à base de carbure de silicium de même taille a 1/200 une résistance à l'état passant plus faible et 1/10 taille plus petite qu'un MOSFET à base de silicium, et un onduleur utilisant un MOSFET à base de carbure de silicium de même taille a moins de 1/4 de la perte d'énergie totale par rapport à un IGBT à base de silicium. Ces caractéristiques fournissent un solide soutien à la application de carbure de silicium matériaux dans les onduleurs photovoltaïques et les appareils haute fréquence.

Chaîne industrielle du carbure de silicium

Les constructeurs étrangers sont majoritairement présentés en mode IDM, tandis que les entreprises nationales se concentrent sur les liens individuels. La chaîne industrielle du carbure de silicium peut être divisée en: substrat, épitaxie, appareil, et utilisation finale. La plupart des entreprises étrangères sont en mode IDM, comme Wolfspeed, Rohm et STMicroelectronics (ST), tandis que les entreprises nationales se concentrent sur la fabrication à maillon unique, comme Tianke Heda et Tianyue Advanced dans le domaine des substrats, Hantian Tiancheng et Dongguan Tiandian dans le domaine de l'épitaxie, et Starr Peninsula et Tyco Tianrun dans le domaine des appareils.

Les substrats et l'épitaxie représentent 70% du coût des appareils en carbure de silicium. En raison de la difficulté de préparation du matériel, faible taux de rendement et petite capacité de production, la valeur de la chaîne industrielle actuelle est concentrée dans le substrat et les pièces épitaxiales, avec les parties frontales représentant 47% et 23% du coût des appareils en carbure de silicium, tandis que la conception back-end, les segments de la fabrication et de l'emballage ne représentent que 30%.

Utilisation en aval du carbure de silicium

Véhicules à énergies nouvelles

Le nouveau secteur des véhicules énergétiques apportera un énorme progrès aux dispositifs électriques SiC. Dans les véhicules à énergies nouvelles, Les dispositifs SiC sont principalement utilisés dans les variateurs principaux, OBC (chargeurs embarqués), Convertisseurs de puissance DC-DC embarqués et dispositifs de charge DCDC haute puissance. Avec l'introduction de plates-formes de tension 800 V par les principaux constructeurs automobiles, l'onduleur principal des contrôleurs de moteur sera inévitablement remplacé par du SiC-MOS par des IGBT à base de silicium pour répondre à la demande de courant et de tension élevés, ce qui apportera un énorme espace de croissance.

Le module de puissance dans le contrôleur de moteur représente 8% du coût du véhicule. Il est responsable de la conversion de la puissance CC haute tension de la batterie de puissance en courant CA triphasé avec fréquence et courant variables., fournir de l'énergie au moteur d'entraînement, changer la vitesse et le couple du moteur, et redresser l'alimentation CA triphasée du moteur en alimentation CC pour charger la batterie d'alimentation pendant la récupération d'énergie. Le module d'alimentation représente 41% de son coût, ou 8% du coût du véhicule.

Les avantages de l'utilisation de dispositifs en carbure de silicium incluent:

1) Accélération améliorée. L'utilisation de dispositifs en carbure de silicium permet au moteur d'entraînement de résister à une puissance d'entrée plus élevée à basse vitesse, et en raison de ses hautes performances thermiques, il ne craint pas les effets thermiques et les pertes de puissance causées par un courant excessif. Cela permet au moteur d'entraînement de fournir plus de couple au démarrage du véhicule., ce qui entraîne une plus grande accélération.

Les dispositifs SiC peuvent être utilisés pour augmenter l'autonomie des véhicules électriques en réduisant les pertes dans les deux dimensions marche/arrêt. Selon les données de recherche d’Infineon, La perte de désactivation du SiC-MOS est d'environ 20% de Si-IGBT à une température de jonction de 25°C, et 10% de Si-IGBT à une température de jonction de 175°C. Global, l'utilisation de dispositifs SiC dans les véhicules à énergie nouvelle peut augmenter l'autonomie de 5-10%.

3) Allègement. Grâce aux performances supérieures du SiC, Les appareils SiC peuvent réduire la taille dans les aspects suivants: 1) taille de paquet plus petite, 2) moins de filtres et de composants passifs tels que les transformateurs, condensateurs, inducteurs, etc., 3) moins de taille de dissipateur thermique, et 4) moins de capacité de batterie dans la même plage. L'onduleur SiC conçu par Rohm, par exemple, réduit la taille de l'onduleur principal de 43% et le poids par 6 kg en utilisant tous les modules SiC.

4) Réduire le coût du système. Actuellement, Les appareils SiC sont 4-6 fois plus cher que les appareils à base de silicium, mais l'utilisation de dispositifs SiC a entraîné une réduction significative du coût de la batterie et une augmentation de l'autonomie, ce qui a réduit le coût global du véhicule. L'augmentation du coût du variateur SiC-MOS est d'environ $75-$200, mais les économies de coûts de la batterie, composants passifs, et le système de refroidissement est $525-$850, une réduction significative des coûts systémiques. Pour le même kilométrage, l'onduleur SiC peut économiser au moins $200 par véhicule.

Onduleurs photovoltaïques

Les dispositifs électriques en carbure de silicium peuvent améliorer l'efficacité de conversion des onduleurs photovoltaïques et réduire les pertes d'énergie. Dans la production d'énergie photovoltaïque, les onduleurs conventionnels basés sur des dispositifs à base de silicium représentent actuellement environ 10% du coût du système, mais sont l'une des principales sources de pertes d'énergie du système. En utilisant SiC-MOS comme matériau de base, l'efficacité de conversion des onduleurs photovoltaïques peut être augmentée de 96% à plus de 99%, la perte d'énergie peut être réduite de plus de 50%, et la durée de vie du cycle de l'équipement peut être augmentée de 50 fois, réduisant ainsi la taille du système, augmentation de la densité de puissance, prolonger la durée de vie de l'appareil, et réduire les coûts de production. Haute efficacité, densité de puissance élevée, une fiabilité élevée et un faible coût sont les tendances futures des onduleurs photovoltaïques. Les produits en carbure de silicium devraient progressivement remplacer les dispositifs à base de silicium dans les onduleurs photovoltaïques en chaîne et centralisés.. Maintenant, il existe peu d'applications domestiques des onduleurs photovoltaïques en carbure de silicium dans le domaine photovoltaïque, mais il existe déjà des sociétés d'onduleurs photovoltaïques dans le monde qui utilisent des onduleurs photovoltaïques en carbure de silicium., comme la série TLM d'Ingeteam en Espagne.

Transport ferroviaire

Dans le transport ferroviaire, les dispositifs à semi-conducteurs de puissance sont largement utilisés dans les véhicules ferroviaires, y compris les convertisseurs de traction, convertisseurs auxiliaires, convertisseurs principaux et auxiliaires, transformateurs électroniques de puissance, et chargeurs de courant. Parmi eux, le convertisseur de traction est l'équipement de base du système de transmission CA haute puissance des locomotives. L'application de dispositifs en carbure de silicium dans les convertisseurs de traction du transport ferroviaire peut grandement exercer une température élevée., caractéristiques de haute fréquence et de faibles pertes des dispositifs en carbure de silicium, améliorer l'efficacité des dispositifs de conversion de traction, répondre à la demande de haute capacité, dispositifs de conversion de traction légers et économes en énergie pour le transport ferroviaire, et améliorer l'efficacité globale du système.

Grille intelligente

Dans le réseau intelligent, par rapport à d'autres appareils électroniques de puissance, le système électrique nécessite une tension plus élevée, capacité de puissance plus élevée et fiabilité plus élevée. Transmission CC, systèmes de transmission et de distribution d'énergie CC haute tension pour promouvoir le développement et le changement du réseau intelligent.

Champ RF

Dans les appareils RF, Les dispositifs GaN RF basés sur un substrat en carbure de silicium présentent les avantages d'une conductivité thermique élevée du carbure de silicium et d'une sortie RF haute puissance du GaN dans la bande haute fréquence., et éliminez les défauts inhérents aux dispositifs GaAs et LDMOS à base de silicium pour répondre aux exigences de la communication 5G en matière de performances haute fréquence et de capacité de traitement haute puissance.. Les dispositifs RF basés sur GaN sont devenus la voie technologique principale pour les amplificateurs de puissance 5G, spécialement pour les amplificateurs de puissance de stations de base macro.

Calcul de l’espace de marché mondial du substrat en carbure de silicium

Les substrats en carbure de silicium sont essentiels à la préparation des dispositifs en carbure de silicium et constituent actuellement la partie la plus coûteuse des dispositifs en carbure de silicium.. Ici, nous estimons l'espace de marché mondial et la demande de substrats pour les substrats en carbure de silicium à partir de 2021 à 2025 dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles et du photovoltaïque, et prévoir l’espace total du marché et la demande de substrats pour les substrats en carbure de silicium avec cette référence.

Véhicules à énergies nouvelles: 25 ans, la demande peut atteindre 3 millions de pièces, l'espace de marché de plus de 10 milliards de yuans

Pour les prévisions du marché des véhicules à énergie nouvelle, nous faisons les hypothèses suivantes sur les paramètres clés:

Le prix moyen actuel du carbure de silicium de 6 pouces est 1000 NOUS. dollars, à propos 6400 yuan / morceau, en raison du développement futur de la voie technique sur le 6 pouces et de la formation de nouvelles économies d'échelle, les prix du carbure de silicium devraient afficher une tendance générale à la baisse, pour la tendance spécifique des prix, nous 2021-2025 baisse du prix du substrat dans les trois hypothèses suivantes:

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

Le nombre de substrats consommés par véhicule: Étant donné que la future baisse des prix augmentera progressivement l'application du carbure de silicium dans les véhicules à énergie nouvelle, basé sur le modèle actuel 3 un seul véhicule avec 48 puces MOSFET en carbure de silicium, le nombre de substrats de 6 pouces utilisés dans un seul véhicule est d'environ 0.16 pièces, puis grandir progressivement jusqu'à 0.4 morceaux dans 2025.

Taux de pénétration: Le taux de pénétration est défini comme le pourcentage des ventes de véhicules à énergies nouvelles utilisant des dispositifs SiC dans les ventes totales de véhicules à énergies nouvelles.. 14% taux de pénétration dans 2021 et 6% une croissance du taux de pénétration est attendue à partir de 2021-2025.

Combiné avec les données et hypothèses ci-dessus, dans le 10%/15%/20% une baisse de prix est attendue, le marché des substrats en carbure de silicium dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles pourrait atteindre 12.8/10.2/80 milliards de yuans, et la demande de substrat correspondante atteindra 3.04 millions de pièces.

Champ photovoltaïque: 25 années de demande ou plus de 500,000 pièces, l'espace de marché de 2 milliards de yuans

La nouvelle capacité installée mondiale: les substrats en carbure de silicium sont principalement utilisés dans les onduleurs photovoltaïques de l'industrie photovoltaïque, avec une capacité installée mondiale de 137 GW en 2020 et devrait dépasser 400 GW en 2025, basé sur 400GW comme référence. 2021 les données sont converties à partir des données pertinentes dans le rapport annuel de Sunshine Power, soit environ 156 GW.

Rapport de coût de l'IGBT: Selon les données divulguées dans le prospectus, le rapport de coût de l'IGBT à base de silicium est d'environ 10% du coût total des onduleurs photovoltaïques, et on suppose que le rapport de coût des IGBT à base de silicium restera inchangé au cours des prochaines années.

Prix ​​de l'onduleur: Dans 2021, les matériaux des onduleurs photovoltaïques de Sunshine Power sont essentiellement des matériaux à base de silicium, avec un volume de ventes de 47 GW et un chiffre d'affaires de RMB 9.05 milliard, le prix des onduleurs photovoltaïques à base de silicium est donc d'environ 0,19 RMB/W. Selon les données de changement de prix de l'onduleur de Sunshine Power de 2017 à 2021, le prix annuel moyen diminue d'environ 0,02 RMB/W. Par conséquent, on s'attend à ce que le prix diminue progressivement à l'avenir. Par conséquent, on s'attend à ce que le prix diminue progressivement à l'avenir, en supposant que le prix diminuera au rythme de 0.02 Yuan/W par an à 0.13 Yuan/W.

Carbure de silicium / rapport prix du silicium: le rapport de prix actuel des dispositifs en carbure de silicium et des dispositifs à base de silicium est d'environ 4, et à l'avenir, on s'attend à ce que le taux de substitution des coûts soit réduit, la proportion de baisse devrait être positivement corrélée à la variation des prix, on suppose donc que le taux de substitution des coûts diminue chaque année.

Rapport de coût du substrat: Le rapport de substrat actuel est 46%, et le ratio devrait diminuer à un rythme de 3% par an.

Taux de pénétration: Le taux de pénétration fait référence ici au pourcentage d'onduleurs photovoltaïques en carbure de silicium dans le nombre total d'onduleurs.. Se référant aux données CASA, le taux de pénétration est 10% dans 2021, et devrait croître à un rythme de 10% par an. Par 2025, le taux de pénétration atteindra 50%.

Combiner les données et hypothèses ci-dessus, le tableau suivant montre que l'espace de marché augmentera à un TCAC de 39% et la demande augmentera à un TCAC de 58%. Par 2025, l'espace de marché atteindra 2 milliards de yuans et la demande de substrats dépassera 500,000 pièces.

Estimation du marché total

Selon le rapport des investisseurs Wolfspeed, la part des véhicules à énergies nouvelles + le photovoltaïque sur le marché total du carbure de silicium est 77% dans 2021, et devrait atteindre 86% dans 2027. Par conséquent, la part de marché dans cette partie de la projection est 77% dans 2021, et devrait atteindre 85% dans 2025, basé sur un 2% taux de croissance annuel. D'après les données ci-dessus, la taille totale du marché mondial des substrats en carbure de silicium passera de 1.9 milliards de yuans à 14.3 milliards de yuans de 2021 à 2025, et la demande augmentera de 300,000 morceaux à 4.2 millions de pièces.

Fournisseurs en amont de carbure de silicium

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