Węglik krzemu (SiC) w półprzewodnikach mocy

Rynek półprzewodników SiC imponuje tempem wzrostu aż 25,7% rocznie, a do 2032 roku osiągnie wartość 9,35 miliarda dolarów. Za tym wzrostem kryje się rewolucja technologiczna: przejście od struktury planarnej do rowkowej w tranzystorach MOSFET.

Inżynierowie projektujący systemy energoelektroniki stają dziś przed wyzwaniem: jak zoptymalizować układ, który musi być wydajny, lekki, odporny na temperatury i bezpieczny w pracy przy wysokim napięciu. Najważniejszą decyzją okazuje się wybór architektury tranzystora mocy — MOSFET trench vs planar — a także jakość materiału bazowego, jakim jest węglik krzemu. Półprzewodniki z tego materiału to niewątpliwie przyszłość tej branży. W artykule przedstawiamy różnice między tymi strukturami, analizujemy wyzwania technologiczne oraz prezentujemy zastosowania SiC w praktyce, w tym w odniesieniu do oferty CERAMIT.

Rynek SiC: napędzany przez pojazdy elektryczne i 5G

MOSFET (ang. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) to tranzystor złączowy polowy, sterowany napięciem, który pełni funkcję przełącznika lub wzmacniacza sygnału elektrycznego w obwodach elektronicznych i energoelektronicznych. Jest to najczęściej stosowany typ tranzystora na świecie — zarówno w układach cyfrowych (procesory, pamięci), jak i w systemach mocy (przetwornice, falowniki, ładowarki).

Budowa MOSFET-a:

MOSFET składa się z trzech głównych elementów:

• bramka (gate) – cienka warstwa metalu (lub polikrzemu), która steruje przepływem prądu,
• źródło (source) – punkt wejściowy dla nośników ładunku (elektronów lub dziur),
• drenaż (drain) – punkt wyjściowy dla prądu,
• między bramką a półprzewodnikiem znajduje się cienka warstwa tlenku (zwykle SiO₂), pełniąca funkcję izolatora.

Dynamika wzrostu rynku półprzewodników mocy SiC

Według danych Consegic Business Intelligence wartość rynku SiC power electronics wzrośnie z 1,503 mld USD w 2024 roku do 9,349 mld USD w 2032, co oznacza średnioroczny wzrost na poziomie 25,7%. Równolegle raporty z innych źródeł prognozują nawet jeszcze wyższy skumulowany wzrost — aż 32,6% — dla całego rynku węglika krzemu, osiągającego wartość 17,2 mld USD do 2029 roku.

Do głównych motorów napędzających ten wzrost należą:

• systemy trakcyjne pojazdy elektryczne SiC – gdzie SiC zastępuje krzem w falownikach i przekształtnikach,
• infrastruktura 5G – wymagająca ultra-szybkiego przełączania i pracy przy dużej gęstości mocy,
• rozwój mikroinwerterów PV oraz magazynów energii.

Geograficzne centrum rozwoju

• Azja-Pacyfik to największy rynek z ponad 42% udziałem — dominują Chiny, Korea i Tajwan.

• Ameryka Północna inwestuje w niezależność łańcuchów dostaw — wzrost z 498,83 mln USD w 2024 do ponad 3 mld USD w 2032.

• Europa buduje zaplecze przemysłowe, rozwijając lokalnych producentów wafrów i komponentów SiC.

Struktura rowkowa vs planarna: rewolucja w przewodności

Fundamentalne różnice architektoniczne

Struktura planarna (planar MOSFET):

• kanał przewodzący zlokalizowany na powierzchni wafla,
• relatywnie wysoka rezystancja właściwa,
• uproszczony proces technologiczny (łatwiejsze trawienie, mniejsze zagrożenie uszkodzeniami),
• większe ryzyko defektów interfejsu SiC/SiO₂.

Struktura rowkowa (trench SiC MOSFET struktura rowkowa):

• kanał przewodzenia formowany w głębokim rowku wytrawionym w krysztale SiC,
• znacznie niższa rezystancja właściwa — nawet o 50% niższa niż w poprzedniej generacji,
• większa powierzchnia kanału przy tej samej powierzchni tranzystora,
• bardziej kontrolowany rozkład pola elektrycznego, lepsza odporność na przebicie.

Przełomowe osiągnięcia głównych producentów

• Infineon CoolSiC™ MOSFET G2

• struktura trench nowej generacji,

• dostępne klasy napięciowe: 650V, 1200V, 1700V, 2000V,

• zastosowanie: przemysł PV, magazyny energii, ultraszybkie ładowarki EV.

• ROHM 4. generacja SiC MOSFET

• 40% niższa rezystancja włączenia w porównaniu do poprzedniej generacji,

• zoptymalizowana struktura rowkowa pod kątem wysokiej częstotliwości przełączania.

• Fuji Electric trench MOSFET

• zaawansowana optymalizacja geometrii kanału,

• redukcja rezystancji o ponad 50% w porównaniu do struktury planarnej.

Zastosowania materiałów w produkcji MOSFET

MOSFET-y wykonane z węglika krzemu (SiC) charakteryzują się znacznie lepszą wydajnością niż standardowe, krzemowe odpowiedniki – pracują przy wyższych temperaturach, większych napięciach i oferują niższe straty przełączania. To między innymi dlatego dominują w sektorze elektromobilności, energetyki i telekomunikacji nowej generacji.

Wytwarzanie tranzystorów MOSFET opartych na węgliku krzemu wymaga zastosowania komponentów o najwyższej trwałości i czystości. Znajdują tu zastosowanie rozwiązania oferowane przez CERAMIT:

Ceramiczne komponenty w procesach produkcyjnych:

• prowadnice ceramiczne do automatycznych systemów manipulacyjnych,
• dysze ceramiczne stosowane w CVD i epitaksji,
• tygielki z AlN do wzrostu kryształów SiC metodą sublima-cyjną (PVT),
• łożyska ceramiczne w układach transportu wafrów, odporne na zanieczyszczenia i wyładowania elektrostatyczne.

Wyzwania produkcyjne półprzewodników węglik krzemu:

• trudności w uzyskaniu wysokiej jakości interfejsu SiC/SiO₂ — wpływającego na parametry końcowe,
• wysoki koszt wafrów (do 200 mm) – związany z trudnością w ich wzroście i obróbce,
• precyzyjne wymagania względem powtarzalności — każdy defekt wpływa na niezawodność układu.

Produkty CERAMIT w sektorze SiC power electronics

W naszej ofercie dostępne są rozwiązania, które odpowiadają na rosnące potrzeby przemysłu półprzewodników SiC:

• węglik krzemu (SiC) – płyty, tuleje, elementy konstrukcyjne odpornie na korozję, uderzenia i wysokie temperatury,
• azotek glinu (AlN) – wysokoprzewodzące ceramiczne substraty i obudowy izolujące (170–200 W/mK),
• tlenek glinu (Al₂O₃) – izolatory ceramiczne, obudowy i elementy wspierające dla elektroniki mocy,
• prowadnice ceramiczne i łożyska – komponenty maszyn produkcyjnych do przetwarzania wafrów i montażu chipów,
• ceramiczne komponenty do procesów chemicznych – odporne na H₂, Cl₂, F₂ i inne agresywne media używane w produkcji chipów.

Najważniejsze korzyści z wdrożenia SiC MOSFET w układach mocy

Wprowadzenie tranzystorów MOSFET SiC do przemysłu energetycznego i elektromobilności przynosi wymierne korzyści:

• redukcja strat przełączania i przewodzenia,
• mniejszy rozmiar i masa falowników,
• wyższa temperatura pracy (nawet do 200°C bez utraty parametrów),
• większa żywotność urządzeń.

W kontekście produkcji i konserwacji warto korzystać z elementów ceramicznych o potwierdzonej jakości. Oferowane przez CERAMIT rozwiązania zapewniają stabilność i czystość w najbardziej wymagających warunkach. To między innymi wspomniane elementy z węglika krzemu, które mogą być stosowane jako podłoża, płytki, prowadnice, płyty grzejne – wszędzie tam, gdzie potrzebna jest odporność na temperaturę, ścieranie i szok termiczny. Nasza oferta odpowiada zarówno na potrzeby producentów półprzewodników, jak i na wymagania integratorów systemów energetycznych nowej generacji.

FAQ – najczęstsze pytania

Jakie są główne różnice między strukturą rowkową a planarną SiC MOSFET?
Struktura rowkowa oferuje niższą rezystancję i lepszą kontrolę pola elektrycznego. Planarna jest  prostsza w produkcji, ale bardziej podatna na defekty.

Jakie są wyzwania produkcyjne półprzewodników węglik krzemu?
Największe to kontrola interfejsu SiC/SiO₂, koszt produkcji wafrów 200 mm oraz wymogi dotyczące precyzji i powtarzalności.

Jakie materiały ceramiczne wspierają produkcję MOSFET SiC?
SiC, AlN, Al₂O₃ – jako substraty, obudowy, prowadnice i komponenty konstrukcyjne.

Jak SiC wpływa na systemy trakcyjne pojazdów elektrycznych?
Umożliwia miniaturyzację falowników, redukcję strat cieplnych oraz zapewnia wyższą sprawność układu.

Czy CERAMIT oferuje produkty wspierające przemysł półprzewodników?
Tak — m.in. komponenty z SiC, AlN i Al₂O₃, a także gotowe elementy ceramiczne do linii produkcyjnych i układów mocy.

Chcesz dowiedzieć się więcej o komponentach ceramicznych do systemów mocy i półprzewodników? Skontaktuj się z nami – dobierzemy odpowiednie materiały i rozwiązania dla Twojej technologii.