Перспективы и проблемы развития рынка мощных SiC-приборов

Перспективы и проблемы развития рынка мощных SiC-приборов

Выпуск 4 (6703) от 27 февраля 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

По данным исследовательской корпорации Yole Développement, мировые продажи SiC-приборов в 2019 г. выросли на 28,2% по сравнению с 2018-м, и ожидается, что в период до 2024 г. среднегодовой рост в сложных процентах (CAGR) в данном сегменте рынка будет близок к 30%. На фоне растущего спроса на рынок SiC-приборов пытаются выйти несколько независимых кремниевых заводов, стремящихся расширить свою клиентскую базу. Однако сделать это будет не так просто из-за жесткой конкуренции со стороны традиционных поставщиков (IDM) SiC-приборов, таких как корпорации Cree, Infineon, Rohm и STMicroelectronics.

Карбид кремния используется при изготовлении специализированных мощных полупроводниковых приборов для высоковольтных применений, таких как электромобили, источники питания, гелиотехника и поезда, обладающих более высокими значениями напряжения пробоя, чем традиционные мощные полупроводниковые приборы. SiC-технология по сравнению с кремниевой характеризуется большей запрещенной зоной, что делает ее привлекательнее при изготовлении инвертеров и преобразователей для электромобилей и гибридных автомобилей. Благодаря массированному проведению НИОКР удалось существенно усовершенствовать технологию широкозонных материалов и добиться снижения размеров и веса выпускаемых SiC- и GaN-приборов.

На рынке SiC-приборов в настоящее время доминируют IDM, включая Cree, Rohm и т. д. Они осуществляют производство на собственных заводах по обработке пластин, под своими товарными знаками и с использованием фирменных процессов, что позволяет дифференцировать выпускаемую продукцию. IDM конкурируют как друг с другом, так и с растущим числом fabless-фирм, проектирующих SIC-приборы, изготовление которых осуществляется на мощностях кремниевых заводов. Кремниевые заводы, обладающие SiC технологическими процессами, предоставляют клиентам доступ к производственным мощностям, но при этом возникают некоторые проблемы с затратами и цепочками поставок. Как правило, IDM, выпускающие SiC-приборы, не производят их по сторонним заказам, но ситуация может измениться.

Кремниевые заводы только начинают осваивать сектор SiC-приборов, причем рассчитывают достичь здесь тех же успехов, что на рынке полупроводниковых приборов в целом. Надо отметить, что крупнейшие кремниевые заводы, такие как TSMC, Samsung (один из крупнейших IDM, оказывающий также услуги кремниевого завода на мощностях специализированного подразделения), GlobalFoundries и UMC, не работают в секторе SiC-приборов, пока это удел кремниевых заводов второго уровня. Действительно, в целом модель кремниевого завода очень успешна. В области SiC-приборов у нее тоже неплохие шансы, но если говорить о таком типе полупроводниковых приборов, как биполярные транзисторы с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor, IGBT), то это скорее бизнес IDM.

О развитии услуг кремниевых заводов на рынке SiC-приборов свидетельствуют следующие факты:

кремниевый завод X-Fab (Эрфурт, ФРГ) удвоил мощности своего американского филиала по производству SiC-приборов;

на рынок SiC-приборов недавно вышли такие кремниевые заводы, как Clas-SiC (Великобритания), Episil (Тайвань), Sanan (Китай) и YPT (Южная Корея);

еще несколько IDM и кремниевых заводов изучают возможность выхода на данный рынок.


Общая ситуация в области SiC мощных полупроводниковых приборов

По данным исследовательской корпорации Yole Développement (Лион, Франция), мировые продажи SiC-приборов в 2019 г. увеличились на 28,2% по сравнению с предыдущим годом – ​с 440 млн до 564 млн долл. Основной фактор роста продаж – ​спрос со стороны поставщиков аккумуляторов для электромобилей, изготовителей гелиотехники и источников питания. Предполагается, что в пятилетний период до 2024 г. среднегодовой рост продаж SiC-приборов в сложных процентах (CAGR) будет близок к 30%. При этом существенный подъем спроса на мощные полупроводниковые SiC-приборы ожидается не столько в 2020, сколько в 2021 г. (см. рисунок).



Источник: Yole Développement

Прогноз структуры продаж мощных SiC-приборов по конечному потреблению


Технология SiC мощных приборов появилась на рынке относительно недавно, и ее сектор пока находится на этапе становления. Сейчас здесь конкурируют около двух десятков поставщиков и их число постоянно растет. Однако по мере достижения этапа зрелости в секторе начнется процесс консолидации.

В течение многих лет на рынке мощных полупроводниковых приборов доминировали устройства на основе кремния, а именно мощные МОП полевые транзисторы (MOSFET) и IGBT. Кремниевые MOSFET используются в применениях, требующих напряжения до 900 В, таких как адаптеры и источники питания. Кремниевые IGBT предназначены для диапазона напряжения от 400 В до 10 кВ – ​это автомобильная и промышленная электроника, другие системы.

Мощные кремниевые MOSFET и IGBT представляют собой зрелые и недорогие приборы, но они уже достигают пределов своих теоретических возможностей. Это и стало основной причиной освоения мощных SiC- и GaN- приборов, которые эффективнее кремниевых за счет большей ширины запрещенной зоны. Например, по сравнению с кремнием SiC имеет в 10 раз большую напряженность поля при пробое и в три раза большую теплопроводность. У отраслевых специалистов нет сомнений в технических преимуществах использования в инвертерах и преобразователях электромобилей и гибридных транспортных средств приборов на основе материалов с широкой запрещенной зоной (таких как SiC и GaN) вместо приборов на основе стандартной кремниевой технологии. Кроме того, перспективность SiC- и GaN- приборов обусловлена тем, что при равных эксплуатационных характеристиках они компактнее кремниевых, причем существенно. GaN-приборы уже добились успехов в приложениях, требующих напряжения до 600 В, в то время как SiC оказались высоко востребованы в приложениях, требующих напряжения 1200 В и выше.

Недостатком SiC-приборов можно считать их стоимость – ​они дороже кремниевых MOSFET и IGBT.


Особенности индустрии SiC-приборов

Мощные полупроводниковые приборы отличаются от цифровых КМОП ИС способностью выдерживать высокие напряжения и сильные токи. В случае КМОП ИС поставщики для дифференциации своей продукции сосредотачиваются на проектировании. Многие из них также передают свое производство (целиком или частично) на аутсорсинг кремниевым заводам – ​те разрабатывают базовый технологический процесс, а клиенты на его основе проектируют свои ИС.

Сектор мощных полупроводниковых приборов достаточно разнороден. Многие кремниевые заводы, в том числе UMC, предоставляют клиентам услуги по производству MOSFET и IGBT. Тем не менее IDM все еще продолжают доминировать в области дискретных ИС с точки зрения объемов отгрузок (в натуральном выражении).

Как правило, в секторе мощных дискретных приборов кремниевые заводы не разрабатывают базовые технологические процессы. Вместо этого fabless-фирмы проектируют приборы на основе своих фирменных процессов и передают их для изготовления на кремниевые заводы. Так как процессы разных fabless-заказчиков могут отличаться, кремниевым заводам приходится поддерживать различные специализированные процессы многочисленных клиентов. Это идет вразрез с обычной foundry-моделью, обеспечивающей высокий объем производства и экономию средств за счет универсальных технологических процессов, используемых различными заказчиками.

Почему в секторе мощных MOSFET, особенно SiC-приборов, наблюдается доминирование IDM, использующих собственные заводы по обработке пластин? На это есть несколько причин. Каждый новый прибор разрабатывается и оптимизируется на основе избранного процесса в рамках одного завода по обработке пластин, таким образом, прибор и технологический процесс оказываются тесно связаны. Иными словами, акцент делается на разработке собственного процесса, а не на проектировании ИС. Мощный SiC-прибор – ​это не интегральная схема с традиционной точки зрения, а множество соединенных параллельно дискретных MOSFET. Таким образом, отличиться от конкурента за счет схемотехники не получится, потому что нет собственно схемы, конструкция прибора полностью зависит от процесса и наоборот.

Доминирующая на рынке SiC-приборов модель IDM представлена корпорациями Cree, Infineon, On Semiconductor, STMicroelectronics, Rohm, Toshiba и т. д. Некоторые из этих компаний полностью вертикально интегрированы. Например, корпорация Cree производит свои собственные SiC-подложки и использует их не только для производства SiC-приборов, поставляемых заказчикам, но и продает конкурентам. Корпорации Rohm и STMicroelectronics также вертикально интегрированы, что позволяет им контролировать всю цепочку поставок и быстро реагировать на циклы спроса. Но большинство IDM не являются вертикально интегрированными в полном смысле – ​они покупают подложки у Cree, Rohm или независимых поставщиков.

У всех поставщиков SiC-приборов существует несколько общих производственных проблем. В рамках технологического процесса производитель получает SiC-пластины диаметром 100 или 150 мм, на которых формируются приборы. Самая большая проблема – ​это сама пластина, точнее, ее высокая стоимость, которая и определяет высокую стоимость конечных приборов. Соответственно, одна из ключевых задач на сегодняшний день – ​обеспечить создание высококачественных подложек по разумной цене. Добиться этого непросто, т. к. SiC по сравнению с кремнием труднее обрабатывать (измельчать, резать и т. п.). Во время осуществления тех или иных процессов на SiC-подложках могут возникнуть дефекты различных типов, связанные с качеством материала. Требуется существенно уменьшить концентрацию катастрофических дефектов (таких как дефекты базисной плоскости – ​basal plane defects, BPD), а также общих дефектов, таких как связанные винтовые дислокации (threading screw dislocations, TSD).

После процесса формирования SIC-пластины на ней выращивают эпитаксиальный слой, затем пластина обрабатывается на заводе, в результате чего и формируются SIC-приборы. SiC МОП-транзисторы основаны на двух типах структур – ​планарных и канавочных (trench). Планарные структуры представляют собой традиционную цепочку «исток–затвор–сток», а канавочные образуют вертикальный U-образный канал затвора.

При обработке пластин и плазменном травлении с целью создания непланарных SiC-приборов применяются два варианта формирования профиля канавки – ​с плоским или округленным основанием (дном). Какой бы профиль ни использовался, желательно, чтобы фронт травления останавливался на нужной глубине. В случае SiC-технологии осаждение проводящей пленки методом физического осаждения паров (PVD) очень похоже на метод, используемый в кремниевых MOSFET для осаждения проводящих дорожек. В обоих случаях производители стараются осаждать толстые (более 4 мкм) пленки алюминиевого сплава с высокой скоростью и без формирования «усов» (усовидных дефектов). Еще одну проблему представляет отслеживание и совмещение прозрачных пластин в системе обработки, особенно в случае «унаследованного» аппаратного обеспечения.

Индустрия SiC нуждается в определенных прорывах. Сегодня затраты на подложку составляют примерно 50% от стоимости обработанной пластины. Необходимо добиться снижения стоимости и увеличения производства подложек наряду с повышением их качества. Поэтому большое внимание уделяется новым способам ускорения роста булей (слитков) SiC, улучшения их однородности, увеличения скорости резки булей на пластины (подложки) и повышения точности химико-механической полировки.

Отмечается, что, несмотря на значительные усилия по расширению коммерциализации SiC-технологии, она все еще незрела по сравнению с технологиями IGBT на основе кремния. Это особенно верно в автомобилестроении, где надежность имеет решающее значение, а сертификация продукции может быть сложной и длительной. Чтобы закрыть этот пробел и ускорить освоение SiC-технологии, требуется целостное понимание дефектности при изготовлении SiC-приборов.


Модель fabless-foundry

Заказчики могут приобрести SiC-приборы у IDM и fabless-фирм (для которых их производят кремниевые заводы). В области КМОП-приборов второй вариант часто называют моделью fabless-foundry. Ввпервые она была представлена в 1980-х гг. и первоначально быстро отвергнута, однако позднее добилась большого успеха.

Для сектора SIC-приборов модель fabless-foundry относительно нова и сталкивается с рядом проблем. Хотя в обозримом будущем на рынке SiC-приборов будут продолжать доминировать IDM, место для fabless-фирм и кремниевых заводов найдется. Несколько fabless-фирм уже успешно наращивают производство продукции с использованием мощностей кремниевых заводов.

Модель fabless-foundry позволяет стартапам и небольшим компаниям тестировать свои продукты без значительного инвестиционного процесса (в частности за счет практики «многопроектных»21 пластин). С другой стороны, IDM сохраняют преимущество стратегических поставщиков, которым отдают предпочтение крупные клиенты. Обе модели играют на своих сильных сторонах, удовлетворяя разнообразные потребности современного индустриального ландшафта и находя способы сосуществования.

На протяжении многих лет несколько компаний оказывали услуги кремниевого завода поставщикам SIC-приборов, но в незначительных объемах. Существенные усилия по расширению применения этой практики начались в 2015 г., когда Министерство энергетики США и Университет штата Северная Каролина создали совместное предприятие PowerAmerica, объединившее промышленность, правительственные ведомства, национальные лаборатории и научные круги. Цель PowerAmerica – ​ускорить коммерциализацию GaN- и SiC-технологий. В 2016 г. это СП оказало поддержку кремниевому заводу X-Fab, развивавшему (и развивающему до сих пор) услуги foundry на своем предприятии по обработке 150-мм SiC-пластин в Техасе. Вместе PowerAmerica и X-Fab разработали наборы средств проектирования технологических процессов и ряд технологий изготовления SiC-приборов. Сейчас X-Fab осуществляет производство SiC-приборов для нескольких клиентов.

Другие кремниевые заводы также разрабатывают предложения по контрактному изготовлению SiC-приборов. Так, фирма Episil находится в процессе перевода своих мощностей с обработки 100-мм пластин на обработку 150-мм пластин. Фирма Sanan приступила к контрактному производству SiC-приборов на 150-мм пластинах. Еще ряд кремниевых заводов изучает бизнес-ландшафт в области SiC-приборов. Промышленные обозреватели отмечают, что все больше и больше кремниевых заводов заинтересованы в выходе на данный рынок.

Развитие услуг кремниевых заводов в секторе SiC приборов сопряжено с некоторыми проблемами. В частности, необходимы инвестиции в производство и соответствующую инфраструктуру, удовлетворяющие требованиям потребителей мощных SiC-приборов. К другим проблемам можно отнести:

совершенствование структуры затрат с тем, чтобы она оказалась конкурентоспособной с аналогичной структурой IDM;

убеждение IDM в целесообразности дополнять их собственные мощности, в случае необходимости, мощностями кремниевых заводов;

привлечение нужных специалистов для разработки и внедрения новых процессов.

Несмотря на перечисленные трудности, некоторые fabless-поставщики SiC-приборов производят свою продукцию с использованием услуг кремниевых заводов – ​например, фирмы ABB, GeneSiC, Global Power, Microchip, Monolith и UnitedSiC.

Еще один довод в пользу кремниевых заводов – ​объемы производства. Если компании в месяц требуется не более 10,0–30,0 тыс. пластин со сформированными SiC-приборами, то для нее нет экономического смысла в обладании собственным заводом по обработке SiC-пластин. Лишь немногие поставщики могут похвастаться такими объемами.

Но наличие кремниевых заводов – ​только часть уравнения, которое решают fabless-фирмы. Им необходимо не просто проектировать MOSFET, а создавать конкурентоспособную продукцию. Для этого необходимо четко очертить границы сотрудничества с кремниевыми заводами, определить основных конкурентов из числа IDM, выработать рыночную стратегию, гарантирующую рентабельность деятельности. Например, fabless-фирма UnitedSiC предлагает несколько изделий, в том числе SiC полевые транзисторы с плоскостными затворами (junction gate FET, JFET), которые затем собираются в каскодную схему с низковольтными MOSFET – ​т. е. предлагает достаточно сложные приборы. Учитывая то, что некоторые клиенты опасаются иметь дело с fabless-фирмами, UnitedSiC обеспечила себе устойчивую поддержку – ​например, заключила соглашение о долгосрочных поставках с корпорацией ADI, которая, чтобы гарантировать эти поставки, осуществила инвестиции в UnitedSiC. Тем не менее для fabless-фирм конкуренция с IDM будет трудной задачей как с точки зрения затрат на развитие технологий, так и с точки зрения ценообразования.

Есть и другие обстоятельства. В области КМОП-приборов многие IDM перестали строить новейшие заводы по обработке пластин из-за их запредельной стоимости. Вместо этого они передали часть производства своей продукции на аутсорсинг кремниевым заводам. Но будет ли модель аутсорсинга работать для IDM, выпускающих SiС-приборы? У них уже есть огромные, полностью амортизированные заводы по обработке пластин, выпускающие или выпускавшие КМОП ИС по зрелым технологиям (т. е. не с минимальными топологиями). Представляется, что им будет выгоднее переоборудовать эти мощности с производства КМОП-приборов на производство SiC-приборов, нарастить производство и, может быть, начать самим оказывать услуги кремниевого завода.

* * *

Очевидно, что рынок SiC-приборов весьма «горяч» – ​благодаря высокому потенциальному спросу со стороны поставщиков электромобилей. Это, в свою очередь, привлекает на него все большее число новых игроков, в том числе IDM и кремниевые заводы. Однако хватит ли здесь места для всех? Даже при «взрывном» расширении рынка ответ остается сомнительным.


LaPedus Mark. SiC Foundry Business Emerges. Semiconductor Engineering, January 23, 2020: https://semiengineering.com/sic-foundry-business-emerges/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.