Siliciumcarbide: de drijvende kracht achter de groene energierevolutie

De opkomst van siliciumcarbide in het siliciumtijdperk

In de verre toekomst zouden historici ons tijdperk het Siliciumtijdperk kunnen noemen. Op het eerste gezicht lijkt dit te danken aan de alomtegenwoordige siliciumchips in onze computers, smartphones, apparaten en misschien binnenkort zelfs in onze hersenen.

Maar dit is niet het enige gebruik van silicium, een overvloedig materiaal dat in gewoon zand voorkomt. Polysilicium is de basiscomponent van de meeste zonnepanelen, die ons dichter bij een door zon aangedreven economie brengen.

Een nieuw type op silicium gebaseerd materiaal wordt even belangrijk, maar vaak minder bekend bij investeerders en het bredere publiek: siliciumcarbide.

Dit verband van silicium en koolstof is superieur aan zuiver silicium in enkele belangrijke kenmerken:

• Een 10‑maal hogere elektrische veldcapaciteit, waardoor het zeer grote vermogensbelastingen kan verwerken.
  • Als gevolg hiervan kunnen siliciumcarbide‑apparaten kleiner zijn en sneller in- en uitschakelen.
• 3‑maal de thermische geleidbaarheid van “normaal” silicium, waardoor warmte veel sneller wordt afgevoerd bij hoge belastingen.
• Veel kleinere verliezen zorgen voor meer efficiëntie en nog minder ongewenste warmteproductie.

Door deze eigenschappen is siliciumcarbide essentieel geworden in elke toepassing die te maken heeft met hoog vermogen en elektronica: zonne‑omvormers, elektrische voertuigen, industriële stroomvoorzieningen, enz.

Siliciumcarbide 101

Siliciumcarbide, ook bekend als carborundum, of SiC, kan van nature in meteorieten worden aangetroffen, maar bijna nergens anders op aarde.

Bron: Global IMI

Het materiaal komt in vele verschillende kristalvormen, tot wel 200 verschillende structuren, elk met iets andere chemische en fysische eigenschappen.

Bron: MRF

Als het gaat om elektrische en thermische geleidbaarheid, overtreft siliciumcarbide silicium ruimschoots in bijna alle mogelijke meetwaarden.

Bron: MRF

Siliciumcarbide productie

De massaproductie van siliciumcarbide is relatief eenvoudig en werd voor het eerst gepatenteerd in 1893, met behulp van een methode die bekend staat als de elektrische batchoven. Het proces verwarmt een mengsel van silica (zand) en koolstof (cokesteenkool) tot zeer hoge temperaturen, doorgaans 1.600°C‑2.500°C (2.900°F‑4.500°F).

Stikstof en aluminium zijn veelvoorkomende onzuiverheden uit dit productieproces, maar ze beïnvloeden de elektrische geleidbaarheid van SiC.

Alternatieve methoden, vooral gebruikt bij de productie van elektronische componenten die hogere zuiverheidsniveaus vereisen, zijn fysieke damptransport (PVT), chemische dampdepositie (CVD) of vloeistoffase‑epitaxie (LPE).

Deze methoden verschillen in hoe het siliciumcarbide wordt aangeleverd, maar delen allemaal het idee van het produceren van een initiële kristal en deze vervolgens te laten groeien. De grote kristal wordt daarna in extreem dunne plakjes gesneden tot siliciumcarbide‑wafers, vergelijkbaar met hoe siliciumwafers worden gemaakt voor elektronische productie.

Bron: MRF

Over het geheel genomen is het productieproces en de toeleveringsketen van siliciumcarbide zeer vergelijkbaar met de siliciumindustrie, met soortgelijke CVD, wafers, enz.

Vanwege de 200+ kristalvormen die het materiaal kan aannemen, moet het productieproces getest worden en moet een exacte berekening worden gemaakt voor grootschalige productie. De informatie voor deze processen is meestal eigendom van de individuele bedrijven, dus R&D is nodig in de beginfase van het ontwikkelen van een specifiek proces voor het maken van siliciumcarbide.

De helft van de wereldwijde siliciumcarbide‑productie bevindt zich in China, en de productiecapaciteit zal naar verwachting bijna verviervoudigen tussen het niveau van 2023 en 2027.

Bron: McKinsey

Siliciumcarbide markten

Siliciumcarbide is in 2024 nog een kleine markt, met een waarde van slechts $4,2 mrd. Het wordt echter verwacht extreem snel te groeien met 34,5 % CAGR, waardoor het tegen 2034 $80,2 mrd zal bedragen.

Bron: Markets & Markets

Power‑toepassingen (SiC‑modules) zijn waar het grootste deel van de groei naar wordt verwacht, waardoor de algehele vraag naar siliciumcarbide stijgt.

De markt kan worden onderverdeeld in zwart siliciumcarbide (met metaalonzuiverheden) en groen siliciumcarbide (hoogzuiver SiC).

Zwart siliciumcarbide wordt voornamelijk geproduceerd voor goedkope schuurmiddelen, terwijl groen siliciumcarbide of directe kristalgroei (“andere types”) de grondstof is die wordt gebruikt voor high‑tech toepassingen.

Bron: Global Market Insights

In de power‑toepassing worden elektrische voertuigen en andere groene voertuigen (hybriden, brandstofcellen, enz.) verwacht de belangrijkste drijfveer te zijn voor een hogere vraag naar siliciumcarbide.

Bron: McKinsey

Siliciumcarbide toepassingen

Siliciumcarbide in elektrische voertuigen

Verreweg de belangrijkste toepassing voor siliciumcarbide in het komende decennium, power‑elektronica is waar dit materiaal het onmisbaarste is.

De grootste sub‑sectie van deze categorie zijn elektrische voertuigen, die naar verwachting met 31 % per jaar groeien. SiC is niet alleen aanwezig in de power‑elektronica en controllers, maar ook in de batterij, het monitoringsysteem en laders, zowel in de auto als op het laadstation.

Bron: EV Mechanica

Al in 2023 werd aangetoond dat een siliciumcarbide‑omvormer het bereik van een EV met 7 % kan vergroten. Sindsdien hebben veel nieuwere EV‑ontwerpen meer SiC‑componenten geïntegreerd.

De vraaggroei vanuit de EV‑sector kan zelfs onderschat worden in het geval van een omschakeling naar elektrisch voor zware voertuigen zoals vrachtwagens, die een veel krachtigere laadinfrastructuur en voldoende batterijpakketten nodig hebben om tientallen EV’s te kunnen aandrijven.

Siliciumcarbide is ook cruciaal voor zogenaamde “superchargers”, een sleutel tot het oplossen van een knelpunt in de adoptie van EV’s, met als doel de laadtijd terug te brengen tot enkele minuten.

De lagere thermische stress en meer consistente stroomvoorziening zouden ook de levensduur van de batterijen moeten verbeteren.

De rol van siliciumcarbide in groene energie en zonne‑energie

SiC‑gebaseerde omvormers voor zonne‑energie kunnen een efficiëntie van tot wel 99 % bereiken, vergeleken met traditionele silicium‑gebaseerde omvormers die slechts 96‑98 % efficiënt zijn. Hoewel dit klein lijkt, kan dit over de levensduur van een zonne‑installatie een grote hoeveelheid extra energie opleveren.

Siliciumcarbide is bovendien veel beter bestand tegen hitte, kan temperaturen tot 300 °C weerstaan, terwijl siliciumapparaten doorgaans beperkt zijn tot 150 °C, en 10‑maal de spanning.

Over het geheel genomen zijn SiC‑omvormers efficiënter, duurzamer, kleiner en goedkoper dan oudere, op silicium gebaseerde omvormers.

Andere high‑tech toepassingen voor siliciumcarbide

Siliciumcarbide wordt ook steeds vaker gebruikt in toepassingen zoals robotica, waar de superieure prestaties van SiC de motorbesturing kleiner maken en direct in de gewrichten kunnen worden geplaatst, waardoor complexiteit en bekabeling sterk worden verminderd.

Bron: Arrow

Ze worden ook steeds belangrijker in datacenters, waar steeds krachtigere chips en de stroomvraag van AI sterkere stroomvoorziening en controle‑elektronica vereisen dan silicium kan bieden.

Een siliciumcarbide‑kristal werd in 1907 gebruikt bij de creatie van de eerste LED. Het werd vervolgens in de jaren ’70 en ’80 massaal geproduceerd in zowel westerse landen als de Sovjet‑Unie. Later werd het vervangen door gallium‑nitride, met 10‑100‑maal helderder licht, wat leidde tot de huidige massale adoptie van LEDs.

SiC wordt echter nog steeds gebruikt in LEDs, als substraat waarop gallium‑nitride wordt afgezet, en om warmte af te voeren in krachtige LEDs.

Schuurmiddelen

SiC is een zeer hard materiaal, waardoor het nuttig is als schuurmiddel in slijpwielen, schuurpapier en andere schuurproducten voor het bewerken van materialen zoals metalen en keramiek. Meestal wordt het lagere‑kwaliteit, goedkopere en onzuiverheids‑rijke zwarte SiC gebruikt voor deze toepassingen.

Hogere kwaliteiten van SiC worden gebruikt in snijgereedschappen, waarbij eveneens wordt geprofiteerd van de extreem hoge hardheid van dit materiaal, maar met de hogere zuiverheid wordt het nog sterker en minder bros.

Beschermende materialen

De combinatie van hoge hardheid en thermische weerstand maakt SiC ook belangrijk in andere toepassingen. Het wordt doorgaans gesinterd (gedeeltelijk gesmolten) tot harde keramieken.

Een toepassing is de productie van keramische kogelwerende pantserplaten, vooral platen in persoonlijke lichaamspantser, waar SiC 27 % van de markt controleert, maar ook in helikopterpantser.

Deze geharde keramieken worden ook gebruikt in autoremmen en koppelingen.

Siliciumcarbide‑keramiek wordt ook gebruikt in ruimtevaarttoepassingen, bijvoorbeeld in de buitenste thermische beschermingslaag van NASA’s LOFTID opblaasbare hitteschild.

Een andere ruimte‑gerichte toepassing van SiC is de productie van astronomische telescopen, waarbij chemische dampdepositie een grote schijf SiC mogelijk maakt die als spiegel in de telescopen dient. De lage warmte‑uitzetting kan ook worden gebruikt als frame voor de zeer precieze mechaniek van de telescopen.

Chemische katalyse

De hoge reactiviteit van siliciumcarbide op elektriciteit maakt het een potentiële kandidaat voor nieuwe vormen van elektrokatalyse. Deze reacties vertrouwen meestal op een vorm van siliciumcarbide‑kristallen die kubisch siliciumcarbide wordt genoemd, met een groter oppervlak.

Zo is het recent ontdekt dat het een goede kandidaat is voor verbeterde fotokatalyse van waterstof, of het directe splitsen van water in waterstof door zonlicht.

Kubisch siliciumcarbide kan ook worden gebruikt als katalysator‑drager voor de oxidatie van koolwaterstoffen.

Tot slot, kan siliciumcarbide worden gebruikt om grafeen‑halfgeleiders te laten groeien.

Nucleaire energie

Siliciumcarbide heeft een zeer sterk vermogen om neutronen te absorberen, waardoor het wordt gebruikt als omhulling voor nucleaire brandstof, evenals voor het bevatten van nucleair afval.

SiC‑sensoren worden gebruikt om stralingsniveaus te monitoren in nucleaire faciliteiten en andere stralingsdetectietoepassingen (omgeving, medische setting, enz.).

SiC’s weerstand tegen straling en thermische variatie maakt het een goed materiaal voor ruimte‑gebonden nucleaire reactoren, een groeiend veld met NASA‑ en andere nationale plannen voor de maan en mogelijk zelfs Mars‑bases.

Sieraden

Een op koolstof gebaseerd kristal, SiC deelt veel kenmerken met diamant (zuivere koolstof), en staat bekend als “synthetische moissaniet” in sieraden. Het kan gemakkelijk worden verward met diamanten.

Bron: MRF

Risico’s van zeldzame aardmetalen mitigeren met SiC

Naarmate handelsoorlogen, tarieven en sancties de handelsrelaties tussen de VS en China verstoren, staat de auto‑industrie voor het zeer serieuze probleem dat ze mogelijk zonder door China gemaakte zeldzame‑aard‑materialen komen te zitten, bijvoorbeeld met Ford die een fabriek sluit.

“Het is dag‑na‑dag. We hebben fabrieken moeten sluiten. Het is nu van de ene op de andere dag overleven.”

Jim Farley – CEO van Ford

Dit is een gebied waar SiC kan helpen, dankzij siliciumcarbide dat afzonderlijk geëxciteerde synchrone motoren mogelijk maakt, waardoor permanente magneten die zeldzame aardmetalen vereisen overbodig worden.

Dus terwijl aan de ene kant siliciumcarbide‑bedrijven kunnen lijden als de EV‑toeleveringsketen ernstig wordt verstoord, kan hun product aan de andere kant in de toekomst breder worden toegepast in nieuwe EV‑ontwerpen, om de afhankelijkheid van Chinese zeldzame‑aard‑leveringen te verminderen.

Conclusie

Siliciumcarbide is geen nieuw materiaal, maar de massaproductie van ultra‑zuivere en kleine elektronica gemaakt ervan, met veel superieure elektrische eigenschappen, is dat wel.

Het heeft de deur geopend naar tal van nieuwe toepassingen, die momenteel breed worden geadopteerd om oudere, op silicium gebaseerde opties te vervangen in een breed scala aan snelgroeiende industrieën, vooral EV‑ en zonne‑energie.

Hoe meer de wereldindustrie en transport elektrificeren, hoe meer siliciumcarbide er nodig zal zijn, aangezien intensere vermogensvraag sterkere laders, batterijen en controllers vereist om snel en veilig te kunnen laden, duurzamere batterijen, enz.

Bovendien zal de massaproductie van SiC en de verbetering van productiemethoden waarschijnlijk de productiekosten verlagen. Als gevolg hiervan zullen andere toepassingen zoals pantser, hitteschilden, ruimtevaart en gereedschap waarschijnlijk vaker SiC gaan gebruiken.

Ten slotte blijven er nieuwe potentiële toepassingsvelden ontstaan, met name de mogelijkheid om siliciumcarbide te gebruiken voor de productie van groene waterstof.

Over het geheel genomen zal siliciumcarbide waarschijnlijk een veel bekender materiaal worden voor het brede publiek in de toekomst. Met een verwachte CAGR van 20‑30 % voor het komende decennium, zouden investeerders aandacht moeten besteden aan dit kleine maar snelgroeiende sub‑segment van de halfgeleiderindustrie.

Siliciumcarbide bedrijven

ON Semi

ON Semi is een halfgeleiderbedrijf dat zich specialiseert in elektrificatie, inclusief in de automobielsector, maar ook in andere sectoren zoals zonne‑energie, batterijen, ruimtevaart, telecommunicatie, datacenters en medische toepassingen.

Als zodanig is het een belangrijke partner voor veel van de grootste industriële bedrijven ter wereld.

Bron: ON Semi

Een groot deel van ON Semi’s technologische voordeel is gebaseerd op siliciumcarbide, vooral in het geval van zeer hoge vermogensbelastingen die nodig zijn voor het snel laden van EV’s.

ON Semi’s strategie om zwaar in te zetten op siliciumcarbide leidde tot een enorme omzetstijging in de afgelopen jaren, gedreven door de EV‑revolutie.

Bron: ON Semi

Siliciumcarbide‑sensoren zijn zowel energie‑efficiënter als beter presterend bij weinig licht, wat cruciaal zal zijn voor de bouw van veilige zelfrijdende auto’s.

ON Semi’s siliciumcarbide‑producten worden ook gebruikt in alle groottes van zonne‑energie‑installaties, datacenters en sensoren van allerlei soorten (ultrasoon, elektrochemisch, zoals bloedsuikermeting, en detectie van metalen objecten).

Door de trend van elektrificatie te volgen, controleert ON Semi 10 % van de wereldwijde SiC‑omzet, en is het een van de leidende Noord‑Amerikaanse bedrijven in de sector, concurrerend met Europese bedrijven Infineon (IFNNY) en bredere halfgeleideronderneming STMicroelectronics (STM ).

Bron: McKinsey

Naarmate de westerse industriële toeleveringsketens zich herpositioneren weg van Chinese leveringen, zal ON Semi waarschijnlijk sterk profiteren van de elektrificatietrend, vooral in EV’s en andere groene energieën.

(U kunt ook een langer artikel over dit bedrijf lezen in “On Semiconductor (ON): Siliciumcarbide die elektrificatie aandrijft”.)

Aehr is een halfgeleiderbedrijf dat zich specialiseert in siliciumcarbide.

Meer precies, het bedrijf produceert apparatuur voor het testen van siliciumcarbide‑wafers. Dit geeft het een aanwezigheid in de EV‑automobielsector, smartphones, computerchips en fotonica/telecommunicatie.

Bron: Aehr

Dit maakt Aehr een zeer niche‑ en technisch bedrijf en een cruciale component van de toeleveringsketen. Het beweert “op weg te zijn om de industriestandaard te worden voor een kritische productiestap voor siliciumcarbide‑power‑halfgeleiders”.

Aehr ontwikkelt ook actief nieuwe markten, met name de gallium‑nitride burn‑in markt, gebruikt in hoogvermogenstoepassingen zoals fotovoltaïsche omvormers, waardoor het aanwezig is in zowel alternatieven voor silicium‑gebaseerde power‑elektronica.

Dit geeft Aehr een zeer gediversifieerde klantenbasis, die lijkt op de “who’s who” van de halfgeleider‑ en gereedschapsindustrie, waaronder TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) en Bosch.

Bron: Aehr

Het bedrijf zou sterk kunnen profiteren van opkomende nieuwe segmenten in de halfgeleiderindustrie, zoals silicium‑fotonica.

In de tussentijd, door een klein en belangrijk niche (siliciumcarbide‑testen) binnen een andere niche in de EV‑toeleveringsketen (siliciumcarbide‑power‑elektronica) te bezetten, is Aehr goed gepositioneerd om te profiteren van de groei in EV‑productievolume, ongeacht de nieuwste batterijtechnologie, het automodel of verandering in laadplug‑standaarden.

Na een enorme stijging van de aandelenkoers in 2023, op het hoogtepunt van de enthousiasme voor elke EV‑gerelateerde aandelen, is het bedrijf nu terug op een meer redelijke waardering en vertegenwoordigt het een “pick‑and‑shovel” optie voor investeerders in de siliciumcarbide‑sector.