炭化ケイ素半導体材料

第 3 世代の半導体は、優れた性能と幅広いアプリケーション シナリオを備えています. 電子情報技術の発展の基礎として, 半導体材料は何世代にもわたる変化を経てきました. アプリケーション シナリオのより高い要件に対応, 第三世代の半導体材料, 炭化ケイ素、窒化ガリウムに代表される, 徐々に工業化と加速リリース段階に入っている. 前の2世代と比べて, 炭化ケイ素は、高電圧耐性などの優れた性能を持っています, 高温耐性と低損失, そして高温を作るのに広く利用されています, 高周波, 高出力で耐放射線性のある電子機器.

炭化ケイ素 デバイスには幅広い用途があります. 熱伝導率が高いので, 高破壊電界強度と高電流密度, 炭化ケイ素材料に基づく半導体デバイスは、自動車などの多くの産業分野で使用できます, 充電装置, ポータブル電源, 通信機器, ロボットアーム, とフライングマシン. その適用範囲はますます一般的になり、深化しています, アプリケーションの見通しの非常に広い範囲です, 非常に貴重な資料.

炭化ケイ素の利点の分析

第 3 世代の半導体材料の禁制帯幅は、最初の 2 世代よりもはるかに大きい. 第1世代と第2世代の半導体は狭バンドギャップ半導体です, 一方、第3世代の半導体から, 広帯域 (2.2eVより大きいバンドギャップ) 半導体材料が大量に使用され始めた. 炭化ケイ素, 第三世代半導体の代表として, 以上を持っています 200 空間構造, 異なる構造は異なるバンドギャップ値に対応します, 一般に 2.4eV から 3.35eV の間. ワイドバンドに加えて, 炭化ケイ素材料には、破壊電界強度が高いという利点もあります。, 高飽和ドリフト率と高安定性, と最大電力.

広帯域: 材料の安定性と破壊電界強度を改善

禁制帯幅によって材料特性が決まります, より良いパフォーマンスを向上させるための広い禁制帯. 広帯域幅は、半導体性能の重要な指標です. より広い帯域は、より高い励起要件を意味します, すなわち, 電子と正孔のより困難な形成, その結果、機能する必要がないときに絶縁体のような特性を維持するワイドバンドギャップ半導体が得られます, また、それらをより安定させます, また、広帯域は破壊電界強度の向上にも役立ちます, これにより、動作環境に耐える能力が向上します。, に反映されているように、より優れた耐熱性と高電圧耐性に, 耐放射線性.

広帯域系の伝導帯と価電子帯のエネルギー差が大きいため、励起後の電子と正孔の複合率が低下します。, これにより、より多くの電子と正孔を伝導性または熱伝達に使用できます, これが、炭化ケイ素の熱伝導性と電気伝導性が高い理由の 1 つです。.

 

これらの特徴を踏まえて, 炭化ケイ素デバイスは、より高い強度で動作でき、熱をより迅速に放散することもできます, より高い最終動作温度. 高温抵抗特性により、熱放散システムの要件を軽減しながら、電力密度を大幅に向上させることができます。, 端末の軽量化と小型化を実現. 炭化ケイ素の禁止帯幅が大きいため、炭化ケイ素デバイスのリーク電流はシリコン デバイスよりも大幅に少なくなります。, これにより電力損失を低減; シリコン カーバイド デバイスには、シャットダウン プロセス中に電流が流れません。, その結果、スイッチング損失が低くなり、実際のアプリケーションのスイッチング周波数が大幅に増加します.

高耐圧: 動作範囲と出力範囲を拡大

破壊電圧が高いほど, 動作範囲と出力範囲が大きいほど. ブレークダウン電圧は、誘電体がブレークダウンする電圧を指します. 半導体用, ブレークダウン電圧に達すると, 半導体は誘電特性を失い、内部構造の破壊により動作不能になります, これは指揮者のそれに似ています. したがって, 絶縁破壊電界が高いほど、動作範囲と出力範囲が広いことを意味します, すなわち, 内訳フィールドが高いほど, よりいい.

炭化ケイ素デバイスはより強力です, 小さい, エネルギー損失が少ない. 耐圧が高いので, 炭化ケイ素は、高出力デバイスの製造に広く使用できます, シリコンベースの半導体に取って代わることのできない利点. シリコンカーバイドのブレークダウンが高いため、シリコンカーバイドパワーデバイスは、より薄く、より高濃度にドープされたバリア層を持つことができます, これにより、炭化ケイ素材料を使用して、同じ要件でデバイスをより薄くすることができます, スペースを節約し、単位エネルギー密度を高めるのに役立ちます. 加えて, 高破壊電界により、シリコンカーバイドは外部電圧でより低いオン抵抗を持つこともできます。, オン抵抗が低いということは、エネルギー損失が低いことを意味します.

高飽和ドリフト率: エネルギー損失が少ない

炭化ケイ素は、その内部構造により、飽和ドリフト率が高くなります。. 理論的には, ドリフト速度は、外部電場の増加とともに無限に増加する可能性があります, しかし実際には, 印加電場が増加するにつれて, 材料内のキャリア間の衝突も増加します, そのため、飽和ドリフト速度があります. 炭化ケイ素の場合, 内部構造は衝突のバッファリングに非常に優れています, そのため、飽和ドリフト率が高くなります.

高い飽和ドリフト率により、エネルギー損失が少なくなります. 飽和ドリフト率が高いということは、キャリアの移動が速くなり、抵抗が低くなることを意味します。. これにより、炭化ケイ素材料のエネルギー損失も大幅に減少します。. シリコンに比べて, 同じサイズの炭化ケイ素ベースの MOSFET は、 1/200 オン抵抗が低くなり、 1/10 シリコンベースのMOSFETよりも小さいサイズ, 同じサイズの炭化ケイ素ベースのMOSFETを使用したインバーターは、 1/4 シリコンベースの IGBT と比較した総エネルギー損失の. これらの特性は、 炭化ケイ素の適用 太陽光発電インバーターや高周波デバイスの材料.

炭化ケイ素産業チェーン

海外メーカーはほとんどがIDMモードでレイアウトされています, 一方、国内企業は個別のリンクに重点を置いている. 炭化ケイ素産業チェーンは次のように分類できます。: 基板, エピタキシー, デバイス, そして最終用途. ほとんどの外資系企業はIDMモードです, ウルフスピードなど, ロームとSTマイクロエレクトロニクス (ST), 一方、国内企業はシングルリンクの製造に注力しています。, Tianke Heda、Tianyueなどの基板分野の先進, エピタキシャル分野の漢田天城と東莞天地, デバイス分野のスター・ペニンシュラとタイコ・ティアンルン.

基板とエピタキシーが原因 70% 炭化ケイ素デバイスのコストの. 材料の準備が大変なので, 歩留まりが低く、生産能力が小さい, 現在の産業チェーンの価値は基板とエピタキシャル部品に集中しています, フロントエンド部分が占める割合 47% と 23% 炭化ケイ素デバイスのコストの, バックエンドの設計中, 製造および包装セグメントのみが占める 30%.

炭化ケイ素の下流用途

新エネルギー車

新エネルギー自動車分野はSiCパワーデバイスに大きな増加をもたらす. 新エネルギー車では, SiCデバイスは主にメインドライブインバータに使用されます, OBC (車載充電器), DC-DC オンボード電力コンバータおよび高出力 DCDC 充電デバイス. 大手自動車メーカーによる800V電圧プラットフォームの導入により, モーターコントローラーのメインドライブインバーターは、大電流と高電圧の需要を満たすために、必然的にシリコンベースのIGBTを備えたSiC-MOSに置き換えられるでしょう, それは巨大な成長余地をもたらすだろう.

モーターコントローラーの電源モジュールが原因となります。 8% 車両価格のうち. パワーバッテリーからの高電圧 DC 電力出力を可変周波数と電流の三相 AC 電力に変換する役割を果たします。, 駆動モーターに電力を供給する, モーターの速度とトルクを変更する, モーターからの三相AC電力をDC電力に整流して、エネルギー回収中にパワーバッテリーを充電します。. 電源モジュールの説明 41% その費用の, また 8% 車両費の.

炭化ケイ素デバイスを使用する利点は次のとおりです。:

1) 加速の向上. 炭化ケイ素デバイスの使用により、駆動モーターは低速でのより高い入力電力に耐えることができます, そして保温性能が高いので, 過電流による熱影響や電力損失を恐れません。. これにより、車両の始動時に駆動モーターがより多くのトルクを供給できるようになります。, より大きな加速をもたらします.

SiC デバイスを使用すると、オン/オフの両方の次元での損失を削減することにより、電気自動車の航続距離を延ばすことができます。. インフィニオンの研究データによると, SiC-MOSターンオフ損失は約 20% ジャンクション温度 25°C における Si-IGBT の特性, と 10% 接合温度 175°C における Si-IGBT の. 全体, 新エネルギー車に SiC デバイスを使用すると、航続距離を延ばすことができます。 5-10%.

3) 軽量化. SiCの優れた性能のおかげで, SiCデバイスは、次の側面でサイズを縮小できます: 1) 小さいパッケージサイズ, 2) フィルターやトランスなどの受動部品が少ない, コンデンサ, インダクタ, 等, 3) ヒートシンクのサイズが小さい, と 4) 同じ範囲内のバッテリー容量が少ない. ロームが設計したSiCインバータ, 例えば, メインインバーターのサイズを 43% と重量 6 kg すべての SiC モジュールを使用した場合.

4) システムコストの削減. 現在, SiCデバイスは 4-6 シリコンベースのデバイスよりも何倍も高価, しかし、SiCデバイスの使用により、バッテリーコストが大幅に削減され、航続距離が伸びました, これにより、車両全体のコストが削減されました. SiC-MOS駆動インバータのコストアップは約 $75-$200, しかし、バッテリーによるコスト削減, 受動部品, そして冷却システムは $525-$850, システムコストの大幅な削減. 同じ走行距離の場合, SiCインバーターは少なくとも節約できます $200 1台あたり.

太陽光発電インバータ

炭化ケイ素パワー デバイスは、PV インバーターの変換効率を向上させ、エネルギー損失を削減できます. 太陽光発電では, シリコンベースのデバイスに基づく従来のインバータは、現在約 10% システムコストの, しかし、システムのエネルギー損失の主な原因の 1 つです。. SiC-MOSを基材とすることで, PV インバーターの変換効率は、 96% 以上に 99%, エネルギー損失を 50%, 装置のサイクル寿命は、 50 回, したがって、システムのサイズが削減されます, 電力密度の増加, デバイスの寿命を延ばす, 生産コストの削減. 高効率, 高い電力密度, 高信頼性と低コストが太陽光発電インバータの将来のトレンド. 炭化ケイ素製品は、ストリングおよび集中型太陽光発電インバータのシリコンベースのデバイスに徐々に置き換えられると予想されます. 現在のところ, 太陽光発電分野における炭化ケイ素太陽光発電インバーターの国内用途はほとんどありません。, しかし、炭化ケイ素 PV インバータを使用している PV インバータ会社はすでに世界中にあります。, スペインのIngeteam社のTLMシリーズなど.

鉄道輸送

鉄道輸送において, パワー半導体デバイスは鉄道車両に広く使用されています, トラクションコンバーターを含む, 補助コンバータ, 主コンバータと補助コンバータ, パワーエレクトロニクス変圧器, および充電器. その中で, 主コンバータは、機関車の高出力交流伝送システムの中核となる機器です。. 鉄道交通機関のコンバーターに炭化ケイ素デバイスを適用すると、高温に大きく影響する可能性があります。, 炭化ケイ素デバイスの高周波および低損失特性, トラクションコンバータ装置の効率を改善する, 大容量の需要を満たす, 鉄道輸送用の軽量で省エネルギーな電力変換装置, システム全体の効率を向上させます.

スマートグリッド

スマートグリッドで, 他のパワーエレクトロニクスデバイスと比較して, 電力システムにはより高い電圧が必要です, より高い電力容量とより高い信頼性. 直流送電, スマートグリッドの発展と変化を促進する高圧直流送配電システム.

RFフィールド

RF デバイス内, 炭化ケイ素基板に基づく GaN RF デバイスには、炭化ケイ素の高い熱伝導率と高周波帯域での GaN の高出力 RF 出力の利点があります。, GaAs およびシリコンベースの LDMOS デバイス固有の欠陥を打ち破り、5G 通信の高周波性能と高出力処理能力の要件を満たします。. GaNベースのRFデバイスは5Gパワーアンプの主流技術ルートとなっている, 特にマクロ基地局パワーアンプ用.

炭化珪素基板の世界市場規模の試算

炭化ケイ素基板は炭化ケイ素デバイスの製造に不可欠であり、現在炭化ケイ素デバイスの中で最も高価な部分です。. ここ, 私たちは炭化ケイ素基板の世界市場スペースと基板需要を以下から推定します。 2021 に 2025 新エネルギー自動車や太陽光発電の分野, このリファレンスを使用して、炭化ケイ素基板の総市場スペースと基板需要を予測します.

新エネルギー車: 25 年に需要が達する可能性があります 3 百万個, 以上の市場スペース 10 億元

新エネルギー車市場予測について, 主要なパラメーターについて次の仮定を行います:

6インチの炭化ケイ素の現在の平均価格は 1000 私たち. ドル, 約 6400 元 / ピース, 6インチの技術ルートの将来の発展とさらなる規模の経済の形成による, 炭化ケイ素の価格は、全体的に下落傾向を示すと予想されます, 特定の価格動向について, 私たち 2021-2025 次の3つの前提で基板価格の下落:

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

1台あたりの基板消費枚数: 将来の価格下落を考慮して、新エネルギー車での炭化ケイ素の適用が徐々に増加します, 現在のモデルに基づく 3 単一車両 48 炭化ケイ素 MOSFET チップ, 1 台の車両に使用される 6 インチ基板の枚数は約 0.16 個, そして徐々に成長する 0.4 の部分 2025.

浸透率: 普及率は、新エネルギー車の総販売台数に占めるSiCデバイスを使用した新エネルギー車の販売台数の割合として定義されます。. 14% の普及率 2021 と 6% 普及率の伸びが期待されるのは、 2021-2025.

上記のデータと仮定を組み合わせると、, の中に 10%/15%/20% 値下げが期待される, 新エネルギー車分野における炭化ケイ素基板の市場は、 12.8/10.2/80 億元, 対応する基板の需要は以下に達します 3.04 百万個.

太陽光発電分野: 25 年以上の需要 500,000 個, の市場スペース 2 億元

世界の新規設置容量: 炭化ケイ素基板は主に太陽光発電業界の太陽光発電インバーターで使用されています, 世界の設備容量は137GW 2020 で400GWを超えると予想されています 2025, 400GWを基準にしています. 2021 データはサンシャインパワーの年次報告書の関連データから変換されています, これは約156GWです.

IGBTコスト比率: 目論見書で開示されたデータによると, シリコンベースIGBTのコスト比率は約 10% 太陽光発電インバーターの総コストのうち, シリコンベースの IGBT のコスト比率は今後数年間は変わらないと想定されます。.

インバータ価格: の 2021, サンシャインパワーのパワーコンディショナーの材料は基本的にシリコンベースの材料です, 販売量は47GW、事業収入は人民元 9.05 十億, したがって、シリコンベースの太陽光発電インバータの価格は約 RMB 0.19/W です。. サンシャインパワーのインバータ価格推移データによると、 2017 に 2021, 年間平均価格は約0.02人民元/W減少します. したがって, 今後徐々に価格が下がっていくことが予想されます. したがって, 今後徐々に価格が下がっていくことが予想されます, 価格が次の割合で下がると仮定すると、 0.02 元/W/年 0.13 元/西.

炭化ケイ素 / シリコンの価格比率: 炭化ケイ素デバイスとシリコンベースのデバイスの現在の価格比率は約 4, 将来的にはコスト代替率が低下すると予想される, 下落率は価格変化と正の相関があるはずです, したがって、費用代替率は年々低下していると考えられます。.

基板コスト比率: 現在の基質比率は 46%, この比率は、次の割合で減少すると予想されます。 3% 1年当たり.

浸透率: ここでの普及率とは、全パワーコンディショナに占める炭化ケイ素 PV インバータの割合を指します。. CASAデータを参照, 浸透率は 10% の 2021, そして、次の速度で成長すると予想されています 10% 1年当たり. に 2025, 浸透率は以下に達します 50%.

上記のデータと仮定を組み合わせると、, 次の表は、市場スペースが CAGR で成長することを示しています。 39% そして需要は CAGR で増加すると予想されます 58%. に 2025, 市場スペースは到達するだろう 2 基板の需要は10億元を超えるだろう 500,000 個.

総合市場予測

ウルフスピードの投資家レポートによると, 新エネルギー車のシェア + 炭化ケイ素市場全体における太陽光発電は 77% の 2021, に達すると予想されます 86% の 2027. したがって, 予測のこの部分の市場シェアは 77% の 2021, に達すると予想されます 85% の 2025, に基づいて 2% 年間成長率. 上記のデータによると, 世界の炭化ケイ素基板の総市場規模は、 1.9 10億元に 14.3 ～から10億元 2021 に 2025, そして需要はこれから成長するでしょう 300,000 ピースに 4.2 百万個.

炭化ケイ素の上流サプライヤー

中国の炭化ケイ素原料のトップサプライヤーとして, 河南優れた研磨剤の輸入 & 輸出株式会社, 株式会社. 高品質を安定的に供給してきました 黒の炭化ケイ素 と グリーン炭化ケイ素 世界中の多くの炭化ケイ素企業に, 当社の市場は米国をカバーしています, カナダ, メキシコ, ペルー, チリ, アラブ首長国連邦, サウジアラビア, ロシア, スペイン, 南アフリカ, 東南アジア, 等. 何かご要望がございましたら、 炭化ケイ素マイクロパウダー, 炭化ケイ素マクログリット, 炭化ケイ素の最新オファーを入手するには、お問い合わせください。 2022.