Корпорация STMicroelectronics делает ставку на SiC-технологию

Корпорация STMicroelectronics делает ставку на SiC-технологию

Выпуск 8(6682) от 18 апреля 2019 г.
РУБРИКА: БИЗНЕС

Материалы с широкой запрещенной зоной и приборы на их основе обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционным кремнием, предназначенным для изготовления полупроводниковых приборов, и самими кремниевыми приборами. Сфера их конечного применения – ​Интернет вещей, автономные транспортные средства, приборы управления режимом электропитания и т. д. Один из примеров работ в области широкозонных материалов – ​стратегия фирмы STMicroelectronics в области SiC-технологий.

Корпорация STMicroelectronics (г. Женева, Швейцария) сделала ставку на технологию SiC как одну из важных составляющих стратегии развития и извлечения доходов. Фирма намерена захватить 30% рынка SiC-приборов, емкость которого в 2025 г. составит 3,7 млрд долл.

SiC – ​это одна из технологий с широкой запрещенной зоной, все чаще используемых поставщиками полупроводниковых приборов для создания высокомощных и высокоэффективных решений электрификации транспортных средств. Однако из-за ограниченности предложения и экосистемных проблем, таких как глобальный дефицит SiC-пластин, STMicroelectronics осуществляет ряд шагов, обеспечивающих контроль над всей цепочкой поставок. К таким шагам, в частности, относится недавнее соглашение с Cree, гарантирующее поставку ее подразделением, фирмой Wolfspeed, 150-мм необработанных и эпитаксиальных SiC-пластин, а также покупка 55% акций у шведского производителя SiC-пластин фирмы Norstel с намерением в конечном итоге полностью поглотить ее.

Руководство STMicroelectronics полагает, что через 30 лет более 50% рынка мощных полупроводниковых приборов будет производиться на основе SiC-технологии. В настоящее время фирма закупает слитки и подложки на стороне, а их обработка осуществляется на заводе в Катании (Италия). У STMicroelectronics уже есть планы интеграции Norstel в свою цепочку поставок. Сотрудничество с Cree также расширяет возможности маневра и интеграции. В данное время SiC-приборы швейцарской фирмы выпускаются на пластинах диаметром 150 мм. После окончательного поглощения Norstel и связанных с ней исследовательских мощностей их планируется перевести на работу с пластинами диаметром 200 мм (к 2025 г.).

По итогам 2018 г. доход STMicroelectronics в области SiC-технологии составил 100 млн долл., в 2019 его предполагается довести до 200 млн, а в 2025-м – ​до 1 млрд долл. Для достижения поставленных задач придется модернизировать и взять под контроль всю цепочку поставок. Основными целевыми рынками SiC-приборов STMicroelectronics станут Интернет вещей, интеллектуальное вождение (автономные транспортные средства), регулирование потребления электроэнергии и управление режимом электропитания. Руководство фирмы намерено осуществлять последовательное инвестирование своих разработок – ​в соответствии с объемом получаемых доходов.

В принципе, STMicroelectronics предстоит, по крайней мере в краткосрочной перспективе, решить проблемы с цепочкой поставок, а также с балансом стоимости и издержек. Первая проблема состоит в том, что поставщики сырья и приборов должны согласовывать объемы поставок, а изготовителям SiC-приборов необходимо еще продемонстрировать, что МОП полевые транзисторы (MOSFET) на SiC станут энергоэффективным решением для электромобилей.

Вторая задача заключается в снижении затрат по мере наращивания производства. Возникает необходимость масштабирования приборов, увеличения диаметра обрабатываемых пластин (для снижения удельных издержек), снижения стоимости материалов и оптимизации конструкции приборов и модулей. Завод STMicroelectronics в Катании производит как бескорпусные ИС, так и корпусированные модули. В соответствии с маршрутной картой STMicroelectronics по развитию SiC MOSFET, в 2020 г. предполагается параллельно с третьим поколением планарной технологии освоить перспективную технологию формирования канавок (см. рисунок).



Источник: STMicroelectronics

Маршрутная карта развития SiC-технологии


Карбид кремния тяжелее обрабатывать, чем чистый кремний, что и стало одной из причин роста затрат и, соответственно, сдерживающим фактором широкого освоения и применения SiC-технологии. Кроме того, этому материалу присуща высокая дефектность, которая дает о себе знать в процессе производства подложки, приводя к необходимости использовать на основных этапах операций диффузии более сложный технологический процесс для достижения нужного качества и надежности. Следовательно, SiC-приборы оказываются дороже кремниевых. Однако специалисты STMicroelectronics указывают, что, например, в электромобиле SiC-приборы, при первоначальном увеличении затрат на 300 долл., могут позволить достичь 2 тыс. долл. конечной экономии – ​за счет снижения стоимости аккумуляторных источников питания, уменьшения занимаемого ими и SiC-приборами пространства в электромобиле и решения вопросов с охлаждением.

Завод в Катании производит не только SiC-приборы – ​здесь также используется технология на основе нитрида галлия (GaN). Так, STMicroelectronics сотрудничает в области технологии «GaN-на-кремнии» для средств и систем 5G с корпорацией Macom.

Компания работает с SiC-технологией с 1996 г. В 2004-м она произвела свои первые SiC-приборы, а в 2009 – ​первые SiC MOSFET (имеются версии на напряжение 1200 и 650 В). STMicroelectronics, как и ряд других фирм, производит мощные SiC-приборы для автомобилей – ​один из ключевых элементов электрификации транспортных средств. Производство 150-мм SiC-пластин фирма начала в 2017 г. Помимо ИС для автомобильных применений STMicroelectronics производит приборы для солнечных инверторов, промышленных электроприводов, домашнего оборудования, адаптеров источников питания (силовых адаптеров).


ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ «SIC-НА-GAN»

По мере развития электрических и гибридных транспортных средств растет важность вопросов их электрификации. С технологической точки зрения приборы с широкой запрещенной зоной обладают существенными преимуществами по сравнению с кремнием в плане более высоких рабочих напряжений и энергоэффективности. Их эксплуатационные температуры также выше, улучшено рассеяние тепла (теплоотвод), снижены диэлектрические потери на электропроводность и в переключателях. При этом данные преимущества необходимо уравновесить с большей сложностью и стоимостью в массовом производстве по сравнению с кремнием.

SiC-приборы демонстрируют бЧльшую по сравнению с кремниевыми эффективность преобразования энергии, что позволяет этим приборам выходить за пределы возможностей кремниевых технологий. Они также обладают более высоким пороговым напряжением пробоя, что обеспечивает лучшую проводимость и расширение электрических характеристик. Один из примеров использования SiC в автомобильной электронике – ​преобразователи тягового усилия. Они преобразуют энергию, хранящуюся в блоке питания, для активации электродвигателя, поэтому чем ниже потери преобразования, тем эффективнее прибор. Повышенная проводимость и более высокая частота переключения SiC-приборов также уменьшают потери мощности. Это означает, что в виде тепла теряется меньше энергии, и в конечном счете более высокая эффективность SiC может привести к увеличению пробега электромобиля.

Повышенная энергоэффективность и меньшие потери тепла делают SiC-технологии пригодными для многих промышленных применений, включая автоматизацию управления предприятием, интеллектуальные энергосети и солнечные инверторы (преобразователи солнечной энергии в электрическую).

 

Dahad Nitin. ST Bets Future on Silicon Carbide. EE Times, April 1, 2019: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1334505


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ