Siliciumcarbide halfgeleidermaterialen

De derde generatie halfgeleiders heeft superieure prestaties en bredere toepassingsscenario's. Als basis voor de ontwikkeling van elektronische informatietechnologie, halfgeleidermaterialen hebben verschillende generaties veranderingen ondergaan. Met de hogere eisen van toepassingsscenario's, de derde generatie halfgeleidermaterialen, vertegenwoordigd door siliciumcarbide en galliumnitride, zijn geleidelijk de industrialisatie- en versnelde afgiftefase ingegaan. Vergeleken met de vorige twee generaties, siliciumcarbide heeft superieure prestaties zoals hoogspanningsweerstand;, hoge temperatuurbestendigheid en laag verlies;, en wordt veel gebruikt bij het maken van hoge temperaturen;, hoge frequentie, hoog vermogen en stralingsbestendige elektronische apparaten.

Silicium carbide apparaten hebben een breed scala aan toepassingen. Vanwege de hoge thermische geleidbaarheid, hoge doorslag elektrische veldsterkte en hoge stroomdichtheid, halfgeleiderapparaten op basis van siliciumcarbidematerialen kunnen in veel industriële gebieden worden gebruikt, zoals auto's, oplaadapparaten, draagbare voedingen, communicatie apparaten, robotarmen, en vliegmachines. De reikwijdte van de toepassing ervan wordt steeds populairder en verdiept, is een zeer breed scala aan toepassingsmogelijkheden, zeer waardevolle materialen.

Analyse van de voordelen van siliciumcarbide:

De verboden bandbreedte van het derde generatie halfgeleidermateriaal is veel groter dan de eerste twee generaties. De eerste en tweede generatie halfgeleiders zijn halfgeleiders met een smalle bandafstand, terwijl van de derde generatie halfgeleiders, brede band (bandafstand groter dan 2.2eV) halfgeleidermaterialen werden in grote aantallen gebruikt. Silicium carbide, als een typische vertegenwoordiger van halfgeleiders van de derde generatie, heeft meer dan 200 ruimtelijke structuren, en verschillende structuren komen overeen met verschillende bandgapwaarden, over het algemeen tussen 2,4eV en 3,35eV. Naast brede band, siliciumcarbidematerialen hebben ook de voordelen van een hoge doorslagveldsterkte;, hoge verzadigingsdrift en hoge stabiliteit;, en maximaal vermogen.

Brede band: materiaalstabiliteit en doorslagveldsterkte verbeteren;

De verboden bandbreedte bepaalt de materiaaleigenschappen, brede verboden band om betere prestaties te verbeteren. De brede bandbreedte is een belangrijke indicator voor de prestaties van halfgeleiders. Een bredere band betekent hogere excitatie-eisen, d.w.z., moeilijkere vorming van elektronen en gaten, wat resulteert in halfgeleiders met een brede bandgap die isolatorachtige eigenschappen behouden wanneer ze niet hoeven te werken, waardoor ze ook stabieler zijn, en een brede band helpt ook de sterkte van het doorslag elektrische veld te verbeteren, wat op zijn beurt het vermogen om de werkomgeving te weerstaan ​​verbetert, zoals weerspiegeld in In de betere hitte en hoogspanningsweerstand, stralingsweerstand:.

Het hoge energieverschil tussen de geleidingsband en de valentieband in het breedbandsysteem vermindert de samenstellingssnelheid van elektronen en gaten na excitatie, waardoor meer elektronen en gaten kunnen worden gebruikt voor geleidbaarheid of warmteoverdracht, wat een van de redenen is voor de sterkere thermische en elektrische geleidbaarheid van siliciumcarbide.

 

Op basis van deze kenmerken, siliciumcarbide apparaten kunnen werken met hogere intensiteiten en zijn ook in staat om warmte sneller af te voeren, met hogere uiteindelijke bedrijfstemperaturen. De weerstandskenmerken bij hoge temperaturen kunnen leiden tot een aanzienlijke toename van de vermogensdichtheid, terwijl de vereisten voor warmteafvoersystemen worden verminderd, waardoor lichtere en kleinere terminals mogelijk zijn. Door de hoge verboden bandbreedte van siliciumcarbide kunnen apparaten van siliciumcarbide aanzienlijk minder stroom lekken dan apparaten van silicium, waardoor het vermogensverlies wordt verminderd; siliciumcarbide-apparaten hebben geen stroomafname tijdens het uitschakelproces, wat resulteert in lage schakelverliezen en een significante verhoging van de schakelfrequentie van praktische toepassingen.

Hoge doorslagspanning: Groter werkbereik en vermogensbereik brengen

Hoe hoger de doorslagspanning:, hoe groter het werkbereik en het vermogensbereik. Doorslagspanning verwijst naar de spanning waarbij het diëlektricum kapot gaat. Voor halfgeleiders:, zodra de doorslagspanning is bereikt:, de halfgeleider verliest zijn diëlektrische eigenschappen en wordt onbruikbaar door de vernietiging van zijn interne structuur, die vergelijkbaar is met die van een dirigent. Daarom, een hoger doorslagveld betekent een groter werkbereik en vermogensbereik, d.w.z., hoe hoger het uitsplitsingsveld, des te beter.

Siliciumcarbide apparaten zijn krachtiger, kleiner, en hebben lagere energieverliezen. Vanwege de hogere doorslagspanning, siliciumcarbide kan op grote schaal worden gebruikt bij de voorbereiding van krachtige apparaten;, een voordeel dat niet kan worden vervangen door op silicium gebaseerde halfgeleiders. Door de hogere afbraak van siliciumcarbide kunnen vermogensapparaten van siliciumcarbide dunnere en zwaarder gedoteerde barrièrelagen hebben, waardoor het gebruik van siliciumcarbidematerialen mogelijk is om de apparaten dunner te maken voor dezelfde vereisten, die kan dienen om ruimte te besparen en de energiedichtheid van de eenheid te verhogen. In aanvulling, door het hoge doorslagveld heeft het siliciumcarbide ook een lagere aan-weerstand in de externe spanning, en een lagere aan-weerstand betekent minder energieverlies.

Hoge verzadigingsdrift: minder energieverlies

Siliciumcarbide heeft een hogere verzadigingsdrift vanwege de interne structuur. theoretisch, de driftsnelheid kan onbeperkt worden verhoogd met de toename van het externe elektrische veld, maar in de praktijk, naarmate het aangelegde elektrische veld toeneemt, de botsing tussen dragers in het materiaal neemt ook toe, dus er is een verzadigingsdriftsnelheid. In het geval van siliciumcarbide:, de interne structuur is erg goed in het bufferen van botsingen, dus het heeft een hogere verzadigingsdriftsnelheid.

De hoge verzadigingsdriftsnelheid resulteert in minder energieverlies. Een hoge verzadigingsdriftsnelheid betekent snellere migratie van de carrier en lagere weerstand. Dit resulteert ook in veel lagere energieverliezen in siliciumcarbidematerialen. Vergeleken met silicium, een op siliciumcarbide gebaseerde MOSFET van dezelfde grootte heeft: 1/200 lagere aan-weerstand en 1/10 kleiner dan een op silicium gebaseerde MOSFET, en een omvormer die een op siliciumcarbide gebaseerde MOSFET van dezelfde grootte gebruikt, heeft minder dan 1/4 van het totale energieverlies in vergelijking met een op silicium gebaseerde IGBT. Deze kenmerken bieden een sterke ondersteuning voor de toepassing van siliciumcarbide materialen in PV-omvormers en hoogfrequente apparaten.

Siliciumcarbide industrieketen

Buitenlandse fabrikanten zijn meestal in IDM-modus aangelegd, terwijl binnenlandse bedrijven zich richten op individuele schakels. De keten van de siliciumcarbide-industrie kan worden onderverdeeld in: substraat, epitaxie, apparaat, en eindgebruik. De meeste buitenlandse bedrijven bevinden zich in de IDM-modus, zoals Wolfspeed, Rohm en STMicroelectronics (ST), terwijl binnenlandse bedrijven zich richten op productie met één schakel, zoals Tianke Heda en Tianyue Advanced op het gebied van substraat, Hantian Tiancheng en Dongguan Tiandian in het epitaxiale veld, en Starr Peninsula en Tyco Tianrun op het gebied van apparaten.

Substraten en epitaxie zijn verantwoordelijk voor 70% van de kosten van apparaten van siliciumcarbide. Vanwege de moeilijkheid van materiaalvoorbereiding, lage opbrengst en kleine productiecapaciteit, de waarde van de huidige industrieketen is geconcentreerd in de substraat- en epitaxiale delen, met de front-end onderdelen goed voor 47% en 23% van de kosten van apparaten van siliciumcarbide, terwijl het back-end ontwerp, productie- en verpakkingssegmenten zijn alleen goed voor 30%.

Downstream gebruik van siliciumcarbide

Nieuwe energievoertuigen

De nieuwe sector van energievoertuigen zal een enorme toename opleveren voor SiC-vermogensapparaten. In nieuwe energievoertuigen, SiC-apparaten worden voornamelijk gebruikt in hoofdomvormers, OBC (laders aan boord), DC-DC ingebouwde stroomomvormers en krachtige DCDC-opladers. Met de introductie van 800V-spanningsplatforms door grote voertuigfabrikanten, de belangrijkste aandrijfomvormer van motorcontrollers zal onvermijdelijk worden vervangen door SiC-MOS met op silicium gebaseerde IGBT's om te voldoen aan de vraag naar hoge stroomsterkte en hoge spanning, die enorme groeiruimte zal brengen.

De voedingsmodule in de motorcontroller zorgt voor: 8% van de kosten van het voertuig. Het is verantwoordelijk voor het omzetten van de hoogspanningsgelijkstroomuitgang van de stroomaccu in driefasige wisselstroom met variabele frequentie en stroomsterkte, het leveren van stroom aan de aandrijfmotor, het veranderen van de snelheid en het koppel van de motor, en het corrigeren van de driefasige wisselstroom van de motor in gelijkstroom om de stroombatterij op te laden tijdens energieterugwinning;. De voedingsmodule is goed voor: 41% van zijn kosten, of 8% van de voertuigkosten.

De voordelen van het gebruik van siliciumcarbide-apparaten zijn onder meer::

1) Verbeterde acceleratie. Door het gebruik van siliciumcarbide-apparaten is de aandrijfmotor bestand tegen een hoger ingangsvermogen bij lage snelheden, en vanwege zijn hoge thermische prestaties, het is niet bang voor thermische effecten en vermogensverliezen veroorzaakt door overmatige stroom. Hierdoor kan de aandrijfmotor meer koppel leveren wanneer het voertuig start, resulterend in een grotere versnelling.

SiC-apparaten kunnen worden gebruikt om de actieradius van elektrische voertuigen te vergroten door verliezen in zowel aan/uit-dimensies te verminderen. Dat blijkt uit de onderzoeksgegevens van Infineon, SiC-MOS uitschakelverlies is ongeveer 20% van Si-IGBT bij een junctietemperatuur van 25°C, en 10% van Si-IGBT bij een junctietemperatuur van 175°C. Algemeen, het gebruik van SiC-apparaten in nieuwe energievoertuigen kan de actieradius vergroten 5-10%.

3) Lichtgewicht. Dankzij de superieure prestaties van SiC, SiC-apparaten kunnen de grootte in de volgende aspecten verkleinen:: 1) kleinere pakketgrootte, 2) minder filters en passieve componenten zoals transformatoren, condensatoren, inductoren, enz., 3) minder koellichaam grootte, en 4) minder batterijcapaciteit binnen hetzelfde bereik. De SiC-omvormer ontworpen door Rohm, bijvoorbeeld, verkleint de grootte van de hoofdomvormer met 43% en het gewicht door 6 kg door alle SiC-modules te gebruiken.

4) Systeemkosten verlagen. Momenteel, SiC-apparaten zijn: 4-6 keer duurder dan apparaten op basis van silicium, maar het gebruik van SiC-apparaten heeft geleid tot een aanzienlijke verlaging van de batterijkosten en een groter bereik, wat op zijn beurt de totale voertuigkosten heeft verlaagd. De kostenstijging voor de SiC-MOS-aandrijfomvormer bedraagt ​​ca $75-$200, maar de kostenbesparingen van de batterij, passieve componenten, en koelsysteem is $525-$850, een aanzienlijke verlaging van de systeemkosten. Voor dezelfde kilometerstand, de SiC-omvormer kan minimaal besparen $200 per voertuig.

Fotovoltaïsche omvormers

Siliciumcarbide-vermogensapparaten kunnen de conversie-efficiëntie van PV-omvormers verbeteren en energieverliezen verminderen. Bij fotovoltaïsche energieopwekking, conventionele omvormers op basis van op silicium gebaseerde apparaten zijn momenteel goed voor ongeveer 10% van de systeemkosten, maar zijn een van de belangrijkste bronnen van energieverliezen in het systeem. Door SiC-MOS als basismateriaal te gebruiken, de conversie-efficiëntie van PV-omvormers kan worden verhoogd 96% tot meer dan 99%, energieverlies kan met meer dan worden verminderd 50%, en de levensduur van apparatuur kan worden verlengd 50 keer, waardoor de systeemgrootte wordt verkleind, toenemende vermogensdichtheid, verlenging van de levensduur van het apparaat, en het verlagen van de productiekosten. Hoge efficiëntie, hoge vermogensdichtheid, hoge betrouwbaarheid en lage kosten zijn de toekomstige trends van PV-omvormers. Siliciumcarbideproducten zullen naar verwachting geleidelijk siliciumgebaseerde apparaten in string- en gecentraliseerde PV-omvormers vervangen. Momenteel, er zijn weinig huishoudelijke toepassingen van siliciumcarbide PV-omvormers op het gebied van PV, maar er zijn al PV-omvormerbedrijven over de hele wereld die PV-omvormers van siliciumcarbide gebruiken, zoals de TLM-serie van Ingeteam in Spanje.

Spoor transport

In het spoorvervoer, vermogenshalfgeleiders worden veel gebruikt in spoorvoertuigen;, inclusief tractieomvormers, hulpomvormers, hoofd- en hulpomvormers, vermogens elektronische transformatoren, en opladers. Onder hen, de tractieomvormer is de kernuitrusting van het krachtige AC-transmissiesysteem van locomotieven. De toepassing van siliciumcarbide-apparaten in tractieconverters voor railtransit kan de hoge temperatuur sterk uitoefenen;, hoge frequentie en laag verlies kenmerken van siliciumcarbide apparaten;, de efficiëntie van tractie-omzetters verbeteren, voldoen aan de vraag naar hoge capaciteit, lichtgewicht en energiebesparende tractieomvormers voor treindoorvoer, en de algehele efficiëntie van het systeem te verbeteren.

Smart Grid

In het slimme netwerk, vergeleken met andere vermogenselektronische apparaten, het voedingssysteem vereist een hogere spanning, hogere vermogenscapaciteit en hogere betrouwbaarheid. DC-transmissie:, hoogspannings-DC-transmissie- en stroomdistributiesystemen om de ontwikkeling en verandering van smart grids te bevorderen;.

RF-veld

In RF-apparaten, GaN RF-apparaten op basis van siliciumcarbidesubstraat hebben de voordelen van een hoge thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide en een hoog vermogen RF-uitgang van GaN in de hoge frequentieband, en doorbreek de inherente gebreken van GaAs en op silicium gebaseerde LDMOS-apparaten om te voldoen aan de vereisten van 5G-communicatie voor hoogfrequente prestaties en krachtige verwerkingscapaciteit. Op GaN gebaseerde RF-apparaten zijn de mainstream technologieroute geworden voor 5G-eindversterkers, speciaal voor eindversterkers voor macro-basisstations.

Berekening van de wereldmarktruimte van siliciumcarbidesubstraat

Siliciumcarbidesubstraten zijn essentieel voor de voorbereiding van siliciumcarbide-apparaten en zijn momenteel het duurste onderdeel van siliciumcarbide-apparaten. Hier, we schatten de wereldwijde marktruimte en substraatvraag naar siliciumcarbidesubstraten uit: 2021 tot 2025 op het gebied van nieuwe energievoertuigen en fotovoltaïsche energie, en voorspel de totale marktruimte en substraatvraag voor siliciumcarbidesubstraten met deze referentie.

Nieuwe energievoertuigen: 25 jaren kan de vraag oplopen 3 miljoen stuks, de marktruimte van meer dan 10 miljard yuan

Voor de marktprognose voor nieuwe energievoertuigen, we maken de volgende veronderstellingen over belangrijke parameters:

De huidige gemiddelde prijs van 6-inch siliciumcarbide is 1000 ONS. dollar, wat betreft 6400 yuan / deel, vanwege de toekomstige ontwikkeling van de technische route op de 6-inch en de vorming van verdere schaalvoordelen, De prijzen van siliciumcarbide zullen naar verwachting een algemene trend van verlaging vertonen, voor de specifieke prijsontwikkeling, wij 2021-2025 substraatprijsdaling in de volgende drie veronderstellingen::

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

Het aantal verbruikte substraten per voertuig: Gezien de toekomstige prijsdaling zal de toepassing van siliciumcarbide in nieuwe energievoertuigen geleidelijk toenemen, gebaseerd op het huidige model 3 enkel voertuig met 48 siliciumcarbide MOSFET-chips, het aantal 6-inch substraten dat in een enkel voertuig wordt gebruikt, is ongeveer 0.16 stukken, en dan geleidelijk groeien naar 0.4 stukjes in 2025.

Penetratiegraad: De penetratiegraad wordt gedefinieerd als het percentage van de verkoop van nieuwe energievoertuigen met SiC-apparaten in de totale verkoop van nieuwe energievoertuigen. 14% penetratiegraad in 2021 en 6% groei van de penetratiegraad wordt verwacht van 2021-2025.

Gecombineerd met de bovenstaande gegevens en aannames, in de 10%/15%/20% prijsverlaging wordt verwacht, de markt van siliciumcarbidesubstraten op het gebied van nieuwe energievoertuigen kan bereiken 12.8/10.2/80 miljard yuan, en de overeenkomstige vraag naar substraat zal bereiken 3.04 miljoen stuks.

Fotovoltaïsch veld: 25 jaar vraag of meer dan 500,000 stukken, de marktruimte van 2 miljard yuan

De wereldwijde nieuw geïnstalleerde capaciteit: siliciumcarbidesubstraten worden voornamelijk gebruikt in PV-omvormers in de PV-industrie, met een wereldwijd geïnstalleerd vermogen van 137GW in 2020 en zal naar verwachting meer dan 400GW bedragen 2025, gebaseerd op 400GW als referentie. 2021 gegevens worden geconverteerd van relevante gegevens in het jaarverslag van Sunshine Power, dat is ongeveer 156 GW.

IGBT-kostenratio: Volgens de gegevens in het prospectus, de kostenverhouding van op silicium gebaseerde IGBT is ongeveer 10% van de totale kosten van PV-omvormers, en aangenomen wordt dat de kostenratio van op silicium gebaseerde IGBT de komende jaren ongewijzigd zal blijven.

Omvormer prijs: In 2021, de materialen van de PV-omvormers van Sunshine Power zijn in feite op silicium gebaseerde materialen, met een verkoopvolume van 47 GW en een omzet van RMB 9.05 miljard, dus de prijs van op silicium gebaseerde PV-omvormers is ongeveer RMB 0,19/W. Dat blijkt uit de prijswijzigingsgegevens van de omvormer van Sunshine Power 2017 tot 2021, de gemiddelde jaarprijs daalt met ongeveer RMB 0,02/W. Daarom, de verwachting is dat de prijs in de toekomst geleidelijk zal dalen. Daarom, de verwachting is dat de prijs in de toekomst geleidelijk zal dalen, ervan uitgaande dat de prijs zal dalen met een snelheid van 0.02 Yuan/W per jaar naar: 0.13 Yuan/W.

Silicium carbide / silicium prijsverhouding:: de huidige prijsverhouding van siliciumcarbide-apparaten en op silicium gebaseerde apparaten is ongeveer: 4, en in de toekomst zal naar verwachting de kostensubstitutieratio worden verlaagd, het aandeel van de daling moet positief gecorreleerd zijn met de prijsverandering, dus wordt aangenomen dat de kostensubstitutieratio elk jaar afneemt.

Substraat kosten verhouding: De huidige substraatverhouding is 46%, en de verhouding zal naar verwachting afnemen met een snelheid van 3% per jaar.

Penetratiegraad: De penetratiegraad verwijst hier naar het percentage siliciumcarbide PV-omvormers in het totale aantal omvormers. Verwijzend naar CASA-gegevens, de penetratiegraad is 10% in 2021, en zal naar verwachting groeien met een snelheid van 10% per jaar. Door 2025, de penetratiegraad zal bereiken 50%.

De bovenstaande gegevens en aannames combineren, de volgende tabel laat zien dat de marktruimte zal groeien met een CAGR van 39% en de vraag zal groeien met een CAGR van 58%. Door 2025, de marktruimte zal bereiken: 2 miljard yuan en de vraag naar substraten zal groter zijn dan 500,000 stukken.

Totale marktschatting

Volgens het investeerdersrapport van Wolfspeed, het aandeel van nieuwe energievoertuigen + fotovoltaïsche in de totale markt van siliciumcarbide is 77% in 2021, en zal naar verwachting bereiken 86% in 2027. Daarom, het marktaandeel in dit deel van de projectie is 77% in 2021, en zal naar verwachting bereiken 85% in 2025, gebaseerd op een 2% jaarlijkse groei. Volgens de bovenstaande gegevens:, de totale marktomvang van het wereldwijde siliciumcarbidesubstraat zal groeien van: 1.9 miljard yuan naar 14.3 miljard yuan van 2021 tot 2025, en de vraag zal groeien van 300,000 stukken naar 4.2 miljoen stuks.

Stroomopwaartse leveranciers van siliciumcarbide

Als toonaangevende leverancier van grondstoffen voor siliciumcarbide in China, Henan Superior Abrasives Import & Export Co., Ltd. heeft gestaag hoge kwaliteit geleverd zwart siliciumcarbide en groen siliciumcarbide aan veel siliciumcarbidebedrijven over de hele wereld, en onze markten omvatten de VS, Canada, Mexico, Peru, Chili, VAE, Saoedi-Arabië, Rusland, Spanje, Zuid-Afrika, Zuid-Oost Azië, enz. Als u vraag naar siliciumcarbide micropoeder, siliciumcarbide macrokorrel, neem dan contact met ons op voor het laatste aanbod siliciumcarbide 2022.