Coherent забезпечує $1 мільярд інвестицій в силові підкладки з карбіду кремнію для електромобілів

Компанія Coherent з Саксонбурга, штат Пенсильванія, оголосила 8 квітня, що японські постачальники автомобілів DENSO і Mitsubishi Electric інвестували $1 мільярд доларів у бізнес з виробництва карбіду кремнію, отримавши 12,5% неконтрольованої частки у новоствореній дочірній компанії, яка буде керувати бізнесом під керівництвом Сохаїла Хана, виконавчого віце-президента з нових підприємств і технологій широкосмугової електроніки в компанії Coherent.

Що таке SiC?

У міру зростання попиту на електромобілі виробники все більше інвестують у потужні напівпровідникові мікросхеми на основі карбіду кремнію (SiC) з метою зниження витрат та підвищення ефективності. Пристрої на основі SiC демонструють вищу економічну ефективність перетворення енергії, ніж пристрої на основі кремнію (Si).

Напівпровідники на основі SiC можуть працювати на вищих частотах, що підвищує швидкість і ефективність, одночасно зменшуючи втрати потужності порівняно зі звичайним кремнієм (Si). Крім того, завдяки меншому тепловиділенню двигуни можуть поглинати більше енергії, що збільшує запас ходу на одному заряді акумулятора.

Хоча силові напівпровідники на основі SiC мають чимало переваг, їхнє широке впровадження досі обмежується проблемами вартості та доступності пластин. Щоб вирішити ці проблеми, компанія Coherent, виробник лазерів та перемикачів для електронних схем із штату Пенсільванія, заснувала дочірню компанію, яка спеціалізується виключно на виробництві SiC; Coherent сподівається, що цей крок дозволить збільшити доходи приблизно на один мільярд у 2022 році.

Цю нову дочірню компанію очолить виконавчий віце-президент компанії Coherent Сохаїл Хан, який уже уклав довгострокові угоди про постачання з двома японськими постачальниками електромобілів — компаніями DENSO Corp із міста Карія (префектура Айті) та Mitsubishi Electric Corp із Токіо. Згідно з цими угодами, кожна з компаній отримає частку в капіталі загальною вартістю $500 мільйонів в обмін на загальний обсяг інвестицій у дочірню компанію в розмірі одного мільярда.

Компанія DENSO використовуватиме підкладки з карбіду кремнію від Mitsubishi Electric для виготовлення інверторів, що застосовуються в системах живлення електромобілів (EV) для приводу та керування двигунами, а також для виробництва модулів SiC, які перетворюють електричний струм на корисну енергію.

З метою виробництва високоякісних підкладок дочірнє підприємство використовує процес безперервного епітаксіального нарощування для формування суцільного шару матеріалу SiC у площині c, а потім застосовує метод хімічного осадження з парової фази (CVD). На завершення підкладки розрізають і переробляють на окремі напівпровідникові мікросхеми для подальшого виробництва.

Хан прогнозує, що до 2025 року підкладки діаметром 200 мм стануть домінуючим розміром, коли буде запущено конвеєр для їхнього виробництва та затверджено всі необхідні інструменти для проходження кваліфікації.

Додатки

У міру стрімкого зростання популярності електромобілів (EV) у світі попит на напівпровідники з карбіду кремнію демонструє експоненціальне зростання. Цей матеріал має переваги перед традиційним кремнієм у високотемпературних та високочастотних застосуваннях, таких як перетворювачі потужності. Колишній підрозділ Coherent, що спеціалізувався на II-VI-елементах, вже давно постачає на цей ринок підкладки діаметром 150 мм і 200 мм, а також епітаксіальні пластини.

SiC ідеально підходить для використання в суворих умовах завдяки своїй чудовій теплопровідності, що робить його придатним для застосування в таких галузях, як автомобілебудування, телекомунікації, авіакосмічна та морська енергетика, а також у промислових перетворювачах електроенергії. Здатність SiC витримувати більш високі температури та складні умови експлуатації, характерні для цих пристроїв, призводить до зниження загальної вартості, ваги, розмірів та складності системи; крім того, це зменшує вимоги до охолодження та дозволяє використовувати корпуси менших розмірів, що підвищує щільність потужності.

Низька щільність ядерного спіну SiC також дозволяє йому забезпечувати довший час декогеренції електронного спіну, ніж алмаз, як було продемонстровано в недавньому дослідженні з використанням кубітів на основі одиночного електронного спіну, що використовують спіни основного стану SiC з очікуваним часом T1 100 мкс, порівняно з 50 мкс для алмазних кубітів.

У ході досліджень із використанням дефектів Cr з електронною конфігурацією 3d2 було створено невироджені орбітальні триплетні основні стани та невироджені 1E-спін-синглетні орбітальні дублетні збуджені стани, перехід між якими заборонений за спіном; це дозволило створити низькоенергетичні щілини з тривалим часом розпаду, придатні для застосування у квантовій комунікації.

Іони Cr⁴⁺ можна отримати в глибоких шарах SiC за допомогою імплантації високоенергетичних іонів з подальшим відпалом при температурі 1800 °C для стабілізації та мінімізації оптично активного фонового шуму. Нерезонансна фотолюмінесценція при 30 К чітко демонструє виявлення сигналів Cr⁴⁺ з високою просторовою роздільною здатністю та сильними властивостями роз'єднання.

Ця угода також дає змогу компаніям DENSO та Mitsubishi Electric забезпечити надійні поставки високоякісних 200-міліметрових пластин із заводу Coherent у Саксонбурзі, що дозволить задовольнити їхній попит на 150- та 200-міліметрові підкладки, необхідні для виробництва силових напівпровідникових пристроїв, які збільшують запас ходу електромобілів (BEV) понад те, що було б можливо з традиційними кремнієвими мікросхемами.

Процеси

Компанія Coherent розширила свій завод у містечку Палмер-Тауншип у штаті Пенсільванія, щоб задовольнити зростаючий попит на мікросхеми з карбіду кремнію, виробляючи лазери та перемикачі, що використовуються в електронних схемах, а також пропонуючи пластини з карбіду кремнію, які ефективніше збільшують запас ходу електромобілів, ніж пластини на основі кремнію.

Американська компанія залучила інвестиції в розмірі $1 мільярда від двох японських компаній, які постачають продукцію з використанням силових пристроїв на основі карбіду кремнію (SiC), а також уклала паралельні угоди про постачання, що прискорять реалізацію інвестиційних планів, спрямованих на розвиток бізнесу.

Компанії DENSO та Mitsubishi Electric володітимуть по 12,51 TP3T акцій новоствореної дочірньої компанії Silicon Carbide. Обидві компанії уклали довгострокові угоди про постачання з цією дочірньою компанією. Обидва виробники виготовляють електронні пристрої, зокрема силові пристрої на основі карбіду кремнію (SiC), такі як інвертори для електромобілів, і входять до числа провідних світових виробників таких пристроїв.

Карбід кремнію відрізняється вищою термостійкістю та хімічною стійкістю, ніж його альтернатива — традиційний кремній, — і водночас є більш екологічним матеріалом. Компанії, що постачають підкладки з карбіду кремнію, вимагають довготривалої надійності для застосувань своїх клієнтів. Карбід кремнію забезпечує ці вимоги.

Дослідники з Аргонської національної лабораторії розробили передовий технологічний процес, що дозволяє виготовляти високоякісні пластини з карбіду кремнію за допомогою методу атомно-парового осадження (APVD), який передбачає нанесення шарів карбіду кремнію на скляні підкладки, — у результаті отримуються пластини, рівень чистоти яких перевищує діючі галузеві стандарти.

Вчені також удосконалили квантовий датчик на основі SiC, застосувавши нову техніку виявлення затухання спіну в окремому кубіті та збільшивши час когерентності пристрою. Їхній метод поєднував мікрохвильові імпульси з повністю електричним зчитуванням магнітного резонансу, що дозволило поліпшити співвідношення сигнал/шум під час вимірювання затухання спіну, а також вимірювати такі властивості, як нутація спіну Рабі та дефазування.

Ця нова технологія обіцяє високопродуктивну візуалізацію хімічних та біологічних зразків у лабораторних умовах з високою роздільною здатністю, що дозволить ставити більш точні діагнози захворювань рослин, тварин і людей. Вчені очікують, що вона також стане в нагоді для розробки нових лікарських препаратів, а також для перевірки питної води та харчових продуктів на наявність забруднювачів.

Ціни

Вартість вже давно є суттєвою перешкодою для виробництва електромобілів, проте ситуація може незабаром змінитися завдяки новим інвестиціям та запланованим комерційним поставкам високоякісних, але економічно вигідних підкладок.

У вівторок компанія Coherent оголосила, що японські фірми Denso та Mitsubishi Electric інвестували $1 мільярд у її підрозділ з виробництва карбіду кремнію, розташований у Саксонбурзі, штат Пенсильванія. Кожна з компаній тепер володіє 12,51 TP3T часткою в цьому підрозділі вартістю $4 мільярда, тоді як Coherent зберігає 75% і керує ним самостійно як незалежною дочірньою компанією; крім того, ця угода також передбачає довгострокові договори на постачання.

Серед численних продуктів, що випускаються на цьому підприємстві, — напівпровідники з карбіду кремнію, лазери та перемикачі. Серед їхніх клієнтів — виробники телекомунікаційних мереж, медичного обладнання, авіакосмічних та оборонних систем, енергетичні компанії, виробники напівпровідникових приладів та науково-дослідні лабораторії. Хоча останнім часом попит знизився, компанія очікує, що до 2024 року зростання відновиться.

Доходи компанії Coherent опинилися під загрозою через низькі обсяги продажів на ринках промислової, приладової та побутової електроніки; уповільнення темпів зростання ринку телекомунікацій після пандемії; а також повільне відновлення економіки в Китаї. За останній рік ціна акцій компанії знизилася на 22%, тоді як індекс електронних компонентів S&P 500 зріс на 10%.

Чимало компаній займаються розробкою мікросхем силової електроніки на основі карбіду кремнію (SiC). Вони відіграють ключову роль у виробництві електромобілів, оскільки дозволяють збільшити їхній запас ходу. На жаль, виробництво цих складних і дорогих мікросхем є дорогим і складним процесом. Тому багато виробників SiC вжили значних заходів для збільшення виробничих потужностей; серед них особливо виділяється німецька компанія Wolfspeed.

Компанія оголосила про намір збільшити виробництво радіочастотних підсилювачів потужності на основі GaN-on-SiC та інших мікрохвильових пристроїв із високоякісними напівізолюючими підкладками з SiC, що є важливим кроком на шляху до масового виробництва силової електроніки на основі SiC. Доступні розміри підкладок варіюються від 150 мм до 200 мм у діаметрі, причому очікується, що до 2025 року домінуючим стане саме останній розмір; технологічні лінії вже налагоджено, а обладнання проходить процедури сертифікації для обробки цих більших підкладок.