Vật liệu bán dẫn silicon cacbua

Thế hệ thứ ba của chất bán dẫn có hiệu suất vượt trội và các kịch bản ứng dụng rộng rãi hơn. Là cơ sở cho sự phát triển của công nghệ thông tin điện tử, vật liệu bán dẫn đã trải qua nhiều thế hệ thay đổi. Với các yêu cầu cao hơn của các kịch bản ứng dụng, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, đại diện bởi silic cacbua và gali nitrua, đã dần bước vào giai đoạn công nghiệp hóa và tăng tốc phát hành. So với hai thế hệ trước, cacbua silic có hiệu suất vượt trội như khả năng chống điện áp cao, khả năng chịu nhiệt độ cao và tổn thất thấp, và được sử dụng rộng rãi trong việc tạo ra nhiệt độ cao, Tân sô cao, công suất cao và các thiết bị điện tử chống bức xạ.

cacbua silic thiết bị có nhiều ứng dụng. Vì tính dẫn nhiệt cao, cường độ điện trường đánh thủng cao và mật độ dòng điện cao, các thiết bị bán dẫn dựa trên vật liệu cacbua silic có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như ô tô, sạc thiết bị, nguồn cung cấp điện di động, thiết bị liên lạc, cánh tay robot, và máy bay. Phạm vi ứng dụng của nó ngày càng trở nên phổ biến và ngày càng sâu rộng, là một loạt các triển vọng ứng dụng, vật liệu rất có giá trị.

Phân tích ưu điểm của cacbua silic

Độ rộng dải cấm của vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba lớn hơn nhiều so với hai thế hệ đầu tiên. Thế hệ chất bán dẫn thứ nhất và thứ hai là chất bán dẫn có khoảng cách vùng cấm hẹp, trong khi từ thế hệ thứ ba của chất bán dẫn, băng rộng (khoảng cách vùng cấm lớn hơn 2,2eV) vật liệu bán dẫn bắt đầu được sử dụng với số lượng lớn. cacbua silic, như một đại diện điển hình của chất bán dẫn thế hệ thứ ba, Có nhiều hơn 200 cấu trúc không gian, và các cấu trúc khác nhau tương ứng với các giá trị độ rộng vùng cấm khác nhau, thường từ 2,4eV đến 3,35eV. Ngoài băng tần rộng, vật liệu cacbua silic cũng có ưu điểm là cường độ trường đánh thủng cao, tỷ lệ trôi bão hòa cao và độ ổn định cao, và công suất tối đa.

Băng rộng: cải thiện độ ổn định của vật liệu và cường độ trường đánh thủng

Độ rộng dải cấm xác định các thuộc tính vật liệu, dải cấm rộng để cải thiện hiệu suất tốt hơn. Độ rộng dải tần rộng là một chỉ số quan trọng về hiệu suất của chất bán dẫn. Một dải rộng hơn có nghĩa là yêu cầu kích thích cao hơn, I E., khó hình thành electron và lỗ trống hơn, dẫn đến kết quả là các chất bán dẫn băng thông rộng duy trì các đặc tính giống như chất cách điện khi chúng không được yêu cầu hoạt động, điều này cũng làm cho chúng ổn định hơn, và một dải rộng cũng giúp cải thiện cường độ điện trường đánh thủng, từ đó nâng cao khả năng chống chọi với môi trường hoạt động, như phản ánh trong khả năng chịu nhiệt và điện áp cao tốt hơn, kháng bức xạ.

Sự chênh lệch năng lượng cao giữa vùng dẫn và vùng hoá trị trong hệ thống dải rộng làm giảm tốc độ ghép của electron và lỗ trống sau khi bị kích thích, cho phép nhiều điện tử và lỗ trống hơn được sử dụng để dẫn điện hoặc truyền nhiệt, đó là một trong những lý do giải thích cho tính dẫn nhiệt và dẫn điện mạnh hơn của cacbua silic.

 

Dựa trên những đặc điểm này, thiết bị cacbua silic có thể hoạt động ở cường độ cao hơn và cũng có thể tản nhiệt nhanh hơn, với nhiệt độ hoạt động cuối cùng cao hơn. Các đặc tính chịu nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể mật độ công suất trong khi giảm yêu cầu đối với hệ thống tản nhiệt, cho phép thiết bị đầu cuối nhẹ hơn và nhỏ hơn. Chiều rộng dải cấm cao của cacbua silic cũng cho phép các thiết bị cacbua silic rò rỉ dòng điện ít hơn đáng kể so với các thiết bị silicon, do đó giảm tổn thất điện năng; thiết bị cacbua silic không có dòng điện trong quá trình tắt máy, dẫn đến tổn thất chuyển mạch thấp và tăng đáng kể tần số chuyển mạch của các ứng dụng thực tế.

Điện áp sự cố cao: Mang lại phạm vi hoạt động và phạm vi công suất lớn hơn

Điện áp đánh thủng càng cao, phạm vi hoạt động và phạm vi công suất càng lớn. Điện áp đánh thủng đề cập đến điện áp tại đó chất điện môi bị đánh thủng. Đối với chất bán dẫn, một khi đạt đến điện áp đánh thủng, chất bán dẫn mất đặc tính điện môi và trở nên không hoạt động được do cấu trúc bên trong bị phá hủy, tương tự như của một dây dẫn. Vì vậy, trường sự cố cao hơn có nghĩa là phạm vi hoạt động và phạm vi công suất lớn hơn, I E., trường phân tích càng cao, tốt hơn.

Các thiết bị cacbua silicon mạnh hơn, nhỏ hơn, và có tổn thất năng lượng thấp hơn. Vì điện áp đánh thủng của nó cao hơn, cacbua silic có thể được sử dụng rộng rãi trong việc điều chế các thiết bị công suất cao, một ưu điểm không thể thay thế bằng chất bán dẫn gốc silicon. Sự phân hủy cao hơn của cacbua silic cho phép các thiết bị điện cacbua silic có các lớp rào cản mỏng hơn và pha tạp nhiều hơn, cho phép sử dụng vật liệu cacbua silic để làm cho các thiết bị mỏng hơn cho các yêu cầu tương tự, có thể giúp tiết kiệm không gian và tăng mật độ năng lượng đơn vị. thêm vao Đoa, trường đánh thủng cao cũng cho phép cacbua silic có điện trở thấp hơn ở điện áp bên ngoài, và điện trở thấp hơn có nghĩa là tổn thất năng lượng thấp hơn.

Tỷ lệ trôi bão hòa cao: ít mất năng lượng hơn

Cacbua silic có tốc độ trôi bão hòa cao hơn do cấu trúc bên trong của nó. Về mặt lý thuyết, vận tốc trôi có thể được tăng lên vô hạn với sự gia tăng của điện trường bên ngoài, nhưng trong thực tế, khi điện trường áp dụng tăng lên, sự va chạm giữa các hạt tải điện bên trong vật liệu cũng tăng lên, vì vậy có một vận tốc trôi bão hòa. Trong trường hợp cacbua silic, cấu trúc bên trong rất tốt trong việc đệm va chạm, vì vậy nó có tốc độ trôi bão hòa cao hơn.

Tốc độ trôi bão hòa cao dẫn đến tổn thất năng lượng ít hơn. Tốc độ trôi bão hòa cao đồng nghĩa với việc di chuyển sóng mang nhanh hơn và điện trở thấp hơn. Điều này cũng dẫn đến tổn thất năng lượng thấp hơn nhiều trong vật liệu cacbua silic. So với silicon, MOSFET dựa trên silicon cacbua có cùng kích thước có 1/200 kháng thấp hơn và 1/10 kích thước nhỏ hơn MOSFET dựa trên silicon, và một biến tần sử dụng MOSFET dựa trên silicon cacbua có cùng kích thước có ít hơn 1/4 tổng tổn thất năng lượng so với IGBT dựa trên silicon. Những đặc điểm này cung cấp một sự hỗ trợ mạnh mẽ cho ứng dụng của cacbua silic vật liệu trong biến tần PV và các thiết bị tần số cao.

Dây chuyền công nghiệp cacbua silic

Các nhà sản xuất nước ngoài hầu hết được đặt ở chế độ IDM, trong khi các công ty trong nước tập trung vào các liên kết riêng lẻ. Chuỗi công nghiệp cacbua silic có thể được chia thành: cơ chất, epitaxy, thiết bị, và sử dụng cuối cùng. Hầu hết các công ty nước ngoài đang ở chế độ IDM, chẳng hạn như Wolfspeed, Rohm và STMicroelectronics (ST), trong khi các công ty trong nước tập trung vào sản xuất liên kết đơn, chẳng hạn như Tianke Heda và Tianyue Advanced trong lĩnh vực chất nền, Hantian Tiancheng và Dongguan Tiandian trong trường epiticular, và Starr Peninsula và Tyco Tianrun trong lĩnh vực thiết bị.

Chất nền và tài khoản epitaxy cho 70% chi phí của các thiết bị silicon carbide. Do khó chuẩn bị nguyên liệu, tỷ lệ năng suất thấp và năng lực sản xuất nhỏ, giá trị của chuỗi ngành hiện tại tập trung ở phần đế và phần trục, với các bộ phận front-end chiếm 47% và 23% chi phí của các thiết bị silicon carbide, trong khi thiết kế back-end, phân khúc sản xuất và đóng gói chỉ chiếm 30%.

Sử dụng silic cacbua ở hạ nguồn

Xe năng lượng mới

Lĩnh vực xe năng lượng mới sẽ mang lại sự gia tăng lớn cho các thiết bị điện SiC. Trong các phương tiện năng lượng mới, Thiết bị SiC chủ yếu được sử dụng trong biến tần truyền động chính, OBC (bộ sạc trên tàu), Bộ chuyển đổi nguồn DC-DC trên bo mạch và thiết bị sạc DCDC công suất cao. Với sự ra đời của nền tảng điện áp 800V bởi các nhà sản xuất xe lớn, biến tần ổ đĩa chính của bộ điều khiển động cơ chắc chắn sẽ được thay thế bằng SiC-MOS bằng IGBT dựa trên silicon để đáp ứng nhu cầu về dòng điện cao và điện áp cao, sẽ mang lại không gian tăng trưởng lớn.

Mô-đun nguồn trong bộ điều khiển động cơ chiếm 8% của chi phí của chiếc xe. Nó có nhiệm vụ biến đổi điện áp cao DC đầu ra từ ắc quy nguồn thành điện xoay chiều 3 pha có tần số và dòng điện thay đổi được., cung cấp năng lượng cho động cơ truyền động, thay đổi tốc độ và mô-men xoắn của động cơ, và chỉnh lưu nguồn AC ba pha từ động cơ thành nguồn DC để sạc pin nguồn trong quá trình phục hồi năng lượng. Mô-đun nguồn chiếm 41% chi phí của nó, hoặc 8% chi phí phương tiện.

Những lợi ích của việc sử dụng các thiết bị cacbua silicon bao gồm:

1) Cải thiện khả năng tăng tốc. Việc sử dụng các thiết bị cacbua silicon cho phép động cơ truyền động chịu được công suất đầu vào cao hơn ở tốc độ thấp, và vì hiệu suất nhiệt cao của nó, nó không sợ hiệu ứng nhiệt và tổn thất điện năng do dòng điện quá mức gây ra. Điều này cho phép động cơ truyền động cung cấp nhiều mô-men xoắn hơn khi xe khởi động, dẫn đến gia tốc lớn hơn.

Các thiết bị SiC có thể được sử dụng để tăng phạm vi hoạt động của xe điện bằng cách giảm tổn thất ở cả hai chiều bật/tắt. Theo dữ liệu nghiên cứu của Infineon, Suy hao tắt SiC-MOS là khoảng 20% của Si-IGBT ở nhiệt độ tiếp giáp 25°C, và 10% của Si-IGBT ở nhiệt độ tiếp giáp 175°C. Tổng thể, việc sử dụng các thiết bị SiC trong các phương tiện năng lượng mới có thể tăng phạm vi bằng cách 5-10%.

3) giảm nhẹ. Nhờ hiệu suất vượt trội của SiC, Thiết bị SiC có thể giảm kích thước theo các khía cạnh sau: 1) kích thước gói nhỏ hơn, 2) ít bộ lọc và các thành phần thụ động như máy biến áp, tụ điện, cuộn cảm, vân vân., 3) kích thước tản nhiệt ít hơn, và 4) dung lượng pin ít hơn trong cùng một phạm vi. Biến tần SiC do Rohm thiết kế, Ví dụ, giảm kích thước của biến tần chính bằng 43% và trọng lượng bằng 6 kg bằng cách sử dụng tất cả các mô-đun SiC.

4) Giảm chi phí hệ thống. Hiện nay, Thiết bị SiC là 4-6 đắt hơn nhiều lần so với các thiết bị làm từ silicon, nhưng việc sử dụng các thiết bị SiC đã giúp giảm đáng kể chi phí pin và tăng phạm vi, do đó đã làm giảm tổng chi phí xe. Chi phí tăng cho biến tần truyền động SiC-MOS là khoảng $75-$200, nhưng tiết kiệm chi phí từ pin, thành phần thụ động, và hệ thống làm mát là $525-$850, giảm đáng kể chi phí hệ thống. Đối với cùng một số dặm, biến tần SiC có thể tiết kiệm ít nhất $200 mỗi xe.

Biến tần quang điện

Các thiết bị điện cacbua silic có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi của bộ biến tần PV và giảm tổn thất năng lượng. Trong phát điện quang điện, biến tần thông thường dựa trên các thiết bị dựa trên silicon hiện chiếm khoảng 10% chi phí hệ thống, nhưng là một trong những nguồn chính gây thất thoát năng lượng hệ thống. Bằng cách sử dụng SiC-MOS làm vật liệu cơ bản, hiệu suất chuyển đổi của bộ biến tần PV có thể được tăng lên từ 96% nhiều hơn 99%, tổn thất năng lượng có thể được giảm hơn 50%, và tuổi thọ chu kỳ thiết bị có thể được tăng lên bằng cách 50 lần, do đó làm giảm kích thước hệ thống, tăng mật độ năng lượng, kéo dài tuổi thọ thiết bị, và giảm chi phí sản xuất. Hiệu quả cao, mật độ năng lượng cao, độ tin cậy cao và chi phí thấp là xu hướng tương lai của bộ biến tần PV. Các sản phẩm cacbua silic dự kiến ​​sẽ dần thay thế các thiết bị dựa trên silic trong các bộ biến tần PV dạng chuỗi và tập trung. Hiện tại, có rất ít ứng dụng trong nước của bộ biến tần quang điện silicon carbide trong lĩnh vực quang điện, nhưng đã có các công ty biến tần quang điện trên khắp thế giới đang sử dụng biến tần quang điện silicon carbide, chẳng hạn như sê-ri TLM từ Ingeteam ở Tây Ban Nha.

Vận tải đường sắt

Trong giao thông đường sắt, thiết bị bán dẫn điện được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện đường sắt, bao gồm cả bộ chuyển đổi lực kéo, bộ chuyển đổi phụ trợ, bộ chuyển đổi chính và phụ, máy biến áp điện tử công suất, và bộ sạc điện. Trong số đó, bộ chuyển đổi lực kéo là thiết bị cốt lõi của hệ thống truyền tải AC công suất cao của đầu máy xe lửa. Việc áp dụng các thiết bị cacbua silic trong bộ chuyển đổi lực kéo vận chuyển đường sắt có thể gây ra nhiệt độ cao rất lớn, tần số cao và đặc tính tổn thất thấp của các thiết bị silicon carbide, nâng cao hiệu quả của các thiết bị chuyển đổi lực kéo, đáp ứng nhu cầu về dung lượng cao, thiết bị chuyển đổi lực kéo nhẹ và tiết kiệm năng lượng cho vận tải đường sắt, và nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống.

lưới điện thông minh

Trong lưới điện thông minh, so với các thiết bị điện tử công suất khác, hệ thống điện yêu cầu điện áp cao hơn, công suất điện cao hơn và độ tin cậy cao hơn. truyền tải một chiều, hệ thống truyền tải và phân phối điện DC cao áp để thúc đẩy sự phát triển và thay đổi của lưới điện thông minh.

trường RF

Trong các thiết bị RF, Các thiết bị GaN RF dựa trên chất nền silicon carbide có ưu điểm là độ dẫn nhiệt cao của silicon carbide và đầu ra RF công suất cao của GaN ở dải tần số cao, và vượt qua các khiếm khuyết vốn có của GaAs và các thiết bị LDMOS dựa trên silicon để đáp ứng các yêu cầu của giao tiếp 5G về hiệu suất tần số cao và khả năng xử lý công suất cao. Các thiết bị RF dựa trên GaN đã trở thành lộ trình công nghệ chủ đạo cho bộ khuếch đại công suất 5G, đặc biệt đối với bộ khuếch đại công suất trạm gốc vĩ mô.

Tính toán không gian thị trường toàn cầu của chất nền silicon carbide

Chất nền cacbua silic rất cần thiết để chuẩn bị các thiết bị cacbua silic và hiện là phần tốn kém nhất của các thiết bị cacbua silic. Đây, chúng tôi ước tính không gian thị trường toàn cầu và nhu cầu chất nền đối với chất nền silicon carbide từ 2021 đến 2025 trong lĩnh vực xe năng lượng mới và quang điện, và dự báo tổng không gian thị trường và nhu cầu chất nền đối với chất nền silicon carbide với tài liệu tham khảo này.

Xe năng lượng mới: 25 năm nhu cầu có thể đạt 3 triệu mảnh, không gian thị trường hơn 10 tỷ nhân dân tệ

Đối với dự báo thị trường xe năng lượng mới, chúng tôi đưa ra các giả định sau về các tham số chính:

Giá trung bình hiện tại của silicon carbide 6 inch là 1000 CHÚNG TA. USD, Về 6400 nhân dân tệ / cái, do sự phát triển trong tương lai của tuyến đường kỹ thuật trên 6 inch và sự hình thành của quy mô kinh tế hơn nữa, giá cacbua silic dự kiến ​​​​sẽ có xu hướng giảm chung, cho xu hướng giá cụ thể, chúng tôi 2021-2025 giảm giá chất nền trong ba giả định sau:

• 1) 10% sự giảm bớt;
• 2) 15% sự giảm bớt;
• 3) 20% sự giảm bớt.

Số lượng chất nền tiêu thụ trên mỗi phương tiện: Xem xét việc giảm giá trong tương lai sẽ tăng dần ứng dụng của cacbua silic trong các phương tiện năng lượng mới, dựa trên mô hình hiện tại 3 xe duy nhất với 48 chip MOSFET silicon carbide, số lượng chất nền 6 inch được sử dụng trong một chiếc xe là khoảng 0.16 miếng, rồi dần dần phát triển thành 0.4 miếng trong 2025.

tỷ lệ thâm nhập: Tỷ lệ thâm nhập được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm doanh số bán xe năng lượng mới sử dụng thiết bị SiC trong tổng doanh số bán xe năng lượng mới. 14% tỷ lệ thâm nhập vào 2021 và 6% tăng trưởng tỷ lệ thâm nhập dự kiến ​​từ 2021-2025.

Kết hợp với các dữ liệu và giả định trên, bên trong 10%/15%/20% dự kiến ​​giảm giá, thị trường chất nền silicon carbide trong lĩnh vực phương tiện năng lượng mới có thể đạt được 12.8/10.2/80 tỷ nhân dân tệ, và nhu cầu cơ chất tương ứng sẽ đạt 3.04 triệu mảnh.

Trường quang điện: 25 nhu cầu năm hoặc nhiều hơn 500,000 miếng, không gian thị trường của 2 tỷ nhân dân tệ

Công suất lắp đặt mới toàn cầu: Chất nền cacbua silic chủ yếu được sử dụng trong các bộ biến tần PV trong ngành công nghiệp PV, với công suất lắp đặt toàn cầu là 137GW trong 2020 và dự kiến ​​sẽ vượt quá 400GW trong 2025, dựa trên 400GW làm tài liệu tham khảo. 2021 dữ liệu được chuyển đổi từ dữ liệu liên quan trong báo cáo thường niên của Sunshine Power, tức là khoảng 156GW.

Tỷ lệ chi phí IGBT: Theo số liệu được công bố trong bản cáo bạch, tỷ lệ chi phí của IGBT dựa trên silicon là khoảng 10% tổng chi phí của bộ biến tần PV, và người ta cho rằng tỷ lệ chi phí của IGBT dựa trên silicon sẽ không thay đổi trong vài năm tới.

Giá biến tần: Trong 2021, vật liệu của bộ biến tần PV của Sunshine Power về cơ bản là vật liệu gốc silicon, với khối lượng bán hàng là 47GW và doanh thu kinh doanh là RMB 9.05 tỷ, vì vậy giá của bộ biến tần PV dựa trên silicon là khoảng 0,19 RMB/W. Theo số liệu biến động giá biến tần của Sunshine Power từ 2017 đến 2021, giá trung bình hàng năm giảm khoảng 0,02 RMB/W. Vì vậy, dự kiến ​​giá sẽ giảm dần trong thời gian tới. Vì vậy, dự kiến ​​giá sẽ giảm dần trong thời gian tới, giả định rằng giá sẽ giảm với tốc độ 0.02 Nhân dân tệ/W mỗi năm đến 0.13 nhân dân tệ/W.

cacbua silic / tỷ lệ giá silicon: tỷ lệ giá hiện tại của các thiết bị silicon carbide và các thiết bị dựa trên silicon là khoảng 4, và trong tương lai dự kiến ​​tỷ lệ thay thế chi phí sẽ giảm, tỷ lệ suy giảm phải tương quan thuận với sự thay đổi giá, vì vậy người ta cho rằng tỷ lệ thay thế chi phí giảm hàng năm.

Tỷ lệ chi phí chất nền: Tỷ lệ chất nền hiện tại là 46%, và tỷ lệ này dự kiến ​​sẽ giảm với tốc độ 3% mỗi năm.

tỷ lệ thâm nhập: Tỷ lệ thâm nhập ở đây đề cập đến tỷ lệ phần trăm bộ biến tần PV silic cacbua trong tổng số bộ biến tần. Tham khảo dữ liệu CASA, tỷ lệ thâm nhập là 10% Trong 2021, và dự kiến ​​sẽ phát triển với tốc độ 10% mỗi năm. Qua 2025, tỷ lệ thâm nhập sẽ đạt 50%.

Kết hợp các dữ liệu trên và các giả định, bảng sau đây cho thấy không gian thị trường sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR là 39% và nhu cầu sẽ tăng với tốc độ CAGR là 58%. Qua 2025, không gian thị trường sẽ đạt đến 2 tỷ nhân dân tệ và nhu cầu về chất nền sẽ vượt quá 500,000 miếng.

Ước tính tổng thị trường

Theo báo cáo của nhà đầu tư Wolfspeed, tỷ lệ phương tiện năng lượng mới + quang điện trong tổng thị trường cacbua silic là 77% Trong 2021, và dự kiến ​​sẽ đạt 86% Trong 2027. Vì vậy, thị phần trong phần dự báo này là 77% Trong 2021, và dự kiến ​​sẽ đạt 85% Trong 2025, dựa trên một 2% tốc độ tăng trưởng hàng năm. Theo dữ liệu trên, tổng quy mô thị trường của chất nền silicon carbide toàn cầu sẽ tăng từ 1.9 tỷ nhân dân tệ đến 14.3 tỷ nhân dân tệ từ 2021 đến 2025, và nhu cầu sẽ tăng lên từ 300,000 miếng để 4.2 triệu mảnh.

Các nhà cung cấp thượng nguồn cacbua silic

Là nhà cung cấp nguyên liệu silicon carbide hàng đầu tại Trung Quốc, Nhập khẩu chất mài mòn cao cấp của Hà Nam & Công ty xuất khẩu, Ltd. đã liên tục cung cấp chất lượng cao cacbua silic đen và cacbua silic xanh cho nhiều công ty cacbua silic trên toàn thế giới, và thị trường của chúng tôi bao gồm Hoa Kỳ, Canada, Mexico, Pêru, chi-lê, Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, Ả Rập Saudi, Nga, Tây ban nha, Nam Phi, Đông Nam Á, vân vân. Nếu bạn có nhu cầu về bột silic cacbua, hạt vĩ mô cacbua silic, vui lòng liên hệ với chúng tôi để nhận ưu đãi mới nhất về cacbua silic trong 2022.