Silisiumkarbid: Driver den grønne energirevolusjonen

Oppgangen til silisiumkarbid i silisiumalderen

I en fjern fremtid kan historikere referere til vår epoke som silisiumalderen. Ved første øyekast ser det ut til å skyldes de allestedsnærværende silisiumbrikkene i våre datamaskiner, smarttelefoner, apparater, og kanskje snart også hjernene våre.

Men dette er ikke den eneste bruken av silisium, et rikelig materiale som finnes i vanlig sand. Polysilisium er den grunnleggende komponenten i de fleste solcellepaneler, som bringer oss nærmere en solenergi-drevet økonomi.

En ny type silisiumbasert materiale blir like viktig, men er ofte mindre kjent blant investorer og allmennheten: silisiumkarbid.

Denne kombinasjonen av silisium og karbon er overlegen silisium alene i noen nøkkelkarakteristikker:

• En 10 ganger høyere elektrisk feltkapasitet, som gjør at den kan håndtere svært store kraftbelastninger.
  • Som et resultat kan silisiumkarbid-enheter være mindre og slå på og av raskere.
• 3 ganger den termiske ledningsevnen til «vanlig» silisium, noe som gjør at varmen kan avledes mye raskere ved høye belastninger.
• Vesentlig mindre tap gir høyere effektivitet og enda mindre uønsket varmegenerering.

På grunn av disse egenskapene har silisiumkarbid blitt essensiell i alle applikasjoner som håndterer høy effekt og elektronikk: solinvertere, elbiler, industrielle strømforsyninger osv.

Silisiumkarbid 101

Silisiumkarbid, også kjent som karborund, eller SiC, kan finnes naturlig i meteoritter, men nesten ingen andre steder på jorden naturlig.

Kilde: Global IMI

Materialet kommer i mange forskjellige krystallformer, opptil 200 ulike strukturer, som hver har litt forskjellige kjemiske og fysiske egenskaper.

Kilde: MRF

Når det gjelder elektrisk og termisk ledningsevne, overgår silisiumkarbid silisium i nesten alle mulige mål.

Kilde: MRF

Produksjon av silisiumkarbid

Masseproduksjonen av silisiumkarbid er relativt enkel og ble først patentert i 1893, ved bruk av en metode kjent som den elektriske batch-ovnen. Prosessen varmer opp en blanding av silika (sand) og karbon (koks) til svært høye temperaturer, vanligvis 1 600 °C‑2 500 °C (2 900 °F‑4 500 °F).

Nitrogen og aluminium er vanlige urenheter fra denne produksjonsprosessen, men de påvirker den elektriske ledningsevnen til SiC.

Alternative metoder, hovedsakelig brukt ved produksjon av elektroniske komponenter som krever høyere renhetsnivåer, er fysisk damptransport (PVT), kjemisk dampavsetning (CVD) eller flytende fase-epitas (LPE).

Disse metodene varierer i hvordan silisiumkarbiden leveres, men alle deler idéen om å produsere en første krystall og deretter vokse den. Den store krystallen blir deretter skåret i ekstremt tynne skiver til silisiumkarbid-wafer, på samme måte som silisium-wafer lages for elektronisk produksjon.

Kilde: MRF

Generelt er silisiumkarbid-produksjonsprosessen og forsyningskjeden svært lik silisiumindustrien, med lignende CVD, wafer osv.

På grunn av de 200+ krystallformene materialet kan ta, må produksjonsprosessen testes og en nøyaktig beregning utføres for storskala produksjon. Informasjonen om disse prosessene er vanligvis proprietær for de enkelte selskapene, så FoU er nødvendig i de tidlige fasene av utviklingen av en spesifikk prosess for å lage silisiumkarbid.

Halvparten av den globale silisiumkarbidproduksjonen er lokalisert i Kina, og produksjonskapasiteten forventes å nesten firedoble seg mellom nivået i 2023 og 2027.

Kilde: McKinsey

Markeder for silisiumkarbid

Silisiumkarbid er fortsatt et lite marked i 2024, verdt kun 4,2 milliarder dollar. Det forventes imidlertid å vokse ekstremt raskt med 34,5 % CAGR, og nå 80,2 milliarder dollar innen 2034.

Kilde: Markets & Markets

Strøm‑applikasjoner (SiC‑moduler) er der mesteparten av veksten forventes å komme fra, og driver den samlede etterspørselen etter silisiumkarbid opp.

Markedet kan deles inn i svart silisiumkarbid (med metallforurensninger) og grønn silisiumkarbid (høy‑renhet SiC).

Svart silisiumkarbid produseres hovedsakelig for billig slipemateriale, mens grønn silisiumkarbid eller direkte produksjon av krystall («andre typer») er råmaterialet som brukes i høyteknologiske applikasjoner.

Kilde: Global Market Insights

I strøm‑applikasjonen forventes elbiler og andre grønne kjøretøy (hybrider, brenselceller osv.) å være hoveddriveren for økt etterspørsel etter silisiumkarbid.

Kilde: McKinsey

Applikasjoner for silisiumkarbid

Silisiumkarbid i elbiler

Uten tvil den viktigste applikasjonen for silisiumkarbid i det kommende tiåret, strøm‑elektronikk er der dette materialet er mest uerstattelig.

Den største underkategorien i denne gruppen er elbiler, som forventes å vokse med 31 % per år. SiC er ikke bare tilstede i strøm‑elektronikk og kontrollere, men også i batteriet, overvåkingssystemet og laderne, både i bilen og ladestasjonen.

Kilde: EV Mechanica

Allerede i 2023 ble det demonstrert at en silisiumkarbid‑inverter kan øke rekkevidden til en elbil med 7 %. Siden da har mange nyere elbil‑design begynt å innlemme flere SiC‑komponenter.

Etterspørselsveksten fra elbilsegmentet kan være enda undervurdert i tilfelle en overgang til elektrisk for tunge kjøretøy som lastebiler, som vil kreve et mye kraftigere ladingssystem og nok batteripakker til å drive dusinvis av elbiler.

Silisiumkarbid er også nøkkelen for såkalte «superladere», en viktig faktor for å løse et flaskehullsproblem i adopsjonen av elbiler, med mål om å redusere ladetiden til kun minutter.

Den lavere termiske belastningen og den mer konsistente strømforsyningen bør også bidra til batterienes levetid.

Silisiumkarbids rolle i grønn energi og solenergi

SiC‑baserte invertere for solenergi kan oppnå opptil 99 % effektivitet, sammenlignet med tradisjonelle silisium‑baserte invertere som kun har 96‑98 % effektivitet. Selv om dette virker lite, kan det gi en stor mengde ekstra energi over levetiden til en solinstallasjon.

Silisiumkarbid er også mye mer varmebestandig, i stand til å tåle temperaturer på opptil 300 °C, mens silisium‑enheter vanligvis er begrenset til 150 °C, og 10 ganger spenningen.

Alt i alt er SiC‑invertere mer effektive, mer holdbare, mindre og billigere enn eldre, silisium‑baserte invertere.

Andre høyteknologiske bruksområder for silisiumkarbid

Silisiumkarbid brukes også i økende grad i mange applikasjoner som robotikk, hvor SiCs overlegne ytelse gjør at motorstyringen kan være mindre og plassert direkte i leddene, noe som kraftig reduserer kompleksiteten og nødvendig kabling.

Kilde: Arrow

De får også økende betydning i datasentre, hvor stadig kraftigere brikker og strømbehov fra AI krever sterkere strømforsyning og kontroll‑elektronikk enn silisium kan levere.

En silisiumkarbid‑krystall ble brukt i fremstillingen av den første LED‑en i 1907. Den ble deretter masseprodusert både i vestlige land og i Sovjetunionen på 1970‑ og 1980‑tallet. Den ble senere erstattet av galliumnitrid, med 10‑100 ganger lysere lys, noe som førte til dagens masseadopsjon av LED‑er.

Silisiumkarbid brukes imidlertid fortsatt i LED‑er, som substrat som galliumnitrid påføres, og for å spre varme i kraftige LED‑er.

Slipemidler

SiC er et svært hardt materiale, noe som gjør det nyttig som slipemiddel i slipesteiner, sandpapir og andre slipemidler for å slipe materialer som metall og keramikk. Det er vanligvis den lavere kvaliteten, billigere og urenhetsrike svarte SiC som brukes til disse applikasjonene.

Høyere kvaliteter av SiC brukes i skjæreverktøy, også med utnyttelse av den ekstremt høye hardheten til dette materialet, men med høyere renhet som gjør det enda sterkere og mindre sprøtt.

Beskyttende materialer

Kombinasjonen av høy hardhet og termisk motstand gjør også SiC viktig i andre applikasjoner. Det blir vanligvis sintert (delvis smelting) til harde keramikk.

En applikasjon er i produksjon av keramisk skuddsikker rustplating, spesielt plater i personlig kroppsrustning, hvor SiC kontrollerer 27 % av markedet, men også i helikopterrustning.

Disse herdede keramikkene brukes også i bilbremser og bilkoblinger.

Silisiumkarbid‑keramikk brukes også i romfartsapplikasjoner, for eksempel i det ytre termiske beskyttelseslaget til NASAs LOFTID‑oppblåsbare varmeskjold.

En annen romfarts‑fokusert applikasjon av SiC er i produksjon av astronomiske teleskoper, hvor kjemisk dampavsetning gjør det mulig å lage en stor skive av SiC som brukes som speil i teleskopene. Den lave termiske ekspansjonen kan også brukes som ramme for den svært presise maskineringen av teleskopene.

Kjemisk katalyse

Den høye reaktiviteten til silisiumkarbid mot elektrisitet gjør den til en potensiell kandidat for nye former for elektrokatalyse. Disse reaksjonene baserer seg vanligvis på en form av silisiumkarbidkrystaller kalt kubisk silisiumkarbid, med et større overflateareal.

For eksempel har det nylig blitt oppdaget å være en god kandidat for forbedret fotokatalyse av hydrogen, eller direkte spaltning av vann til hydrogen ved sollys.

Kubisk silisiumkarbid kan også brukes som katalysatorstøtte for oksidasjon av hydrokarboner.

Til slutt, kan silisiumkarbid brukes til å dyrke grafen‑semiconductorere.

Kjerneenergi

Silisiumkarbid har en svært sterk evne til å absorbere nøytroner, så den brukes som innkapsling for kjernebrensel, samt for å inneholde kjerneavfall.

SiC‑sensorer brukes til å overvåke strålingsnivåer i kjernekraftverk og andre strålingsdeteksjonsapplikasjoner (miljø, medisinsk bruk osv.).

SiCs motstand mot stråling og termisk variasjon gjør det til et godt materiale for rombaserte kjernefysiske reaktorer, et voksende felt med NASA og andre nasjoners planer for Månen og kanskje også Mars‑baser.

Smykker

En krystall basert på karbon, SiC deler mange egenskaper med diamant (ren karbon), og er kjent som «syntetisk moissanitt» i smykker. Den kan lett forveksles med diamanter.

Kilde: MRF

Redusere sjeldne jordartsrisikoer med SiC

Etter hvert som handelskriger, tollsatser og sanksjoner forstyrrer USA‑Kina handelsforbindelser, står bilindustrien overfor det svært alvorlige problemet med potensielt å gå tom for sjeldne jordartsmaterialer fra Kina, med for eksempel at Ford stenger en fabrikk.

«Det er dag til dag. Vi har måttet stenge fabrikker. Det er hånd‑til‑munn akkurat nå.»

Jim Farley – Ford administrerende direktør

Dette er et område hvor SiC kan hjelpe, takket være at silisiumkarbid gjør det mulig med separat excitert synkronmotor, og fjerner behovet for permanente magneter som krever sjeldne jordarter.

Så mens på den ene siden silisiumkarbid‑bedrifter kan lide dersom elbilforsyningskjeden blir alvorlig forstyrret, kan deres produkt på den andre siden bli mer utbredt i nye elbil‑design i fremtiden, for å redusere avhengigheten av kinesiske sjeldne jordartsforsyninger.

Konklusjon

Silisiumkarbid er ikke et nytt materiale, men masseproduksjon av ultrarene og små elektroniske komponenter laget av det, med vesentlig overlegne elektriske egenskaper, er.

Det har åpnet døren til mange nye applikasjoner, som nå i stor grad tas i bruk for å erstatte eldre silisium‑baserte alternativer i en rekke raskt voksende industrier, spesielt elbiler og solenergi.

Jo mer verdens industri og transport elektrifiseres, desto mer silisiumkarbid vil den trenge, ettersom økt kraftbehov krever sterkere ladere, batterier og kontrollere for rask og sikker lading, mer holdbare batterier osv.

I tillegg til disse applikasjonene vil masseproduksjon av SiC og forbedring av produksjonsmetoder sannsynligvis redusere produksjonskostnadene. Som et resultat vil andre bruksområder som rustning, varmeskjold, romfart og verktøy sannsynligvis begynne å ta i bruk SiC oftere.

Til slutt åpnes nye potensielle bruksområder, spesielt muligheten for å bruke silisiumkarbid til produksjon av grønt hydrogen.

Alt i alt vil silisiumkarbid sannsynligvis bli et mye mer kjent materiale for den brede offentligheten i fremtiden. Med en forventet CAGR på 20‑30 % i det kommende tiåret, kan investorer ønske å følge med på denne lille, men raskt voksende underdelen av halvlederindustrien.

Silisiumkarbid‑selskaper

ON Semi

ON Semi er et halvlederfirma som spesialiserer seg på elektrifisering, inkludert innen bilindustrien, men også i andre sektorer som solenergi, batterier, romfart, telekommunikasjon, datasentre og medisinsk.

Som sådan er det en nøkkelpartner for mange av de største industriselskapene i verden.

Kilde: ON Semi

En stor del av ON Semis teknologiske fordel er basert på silisiumkarbid, spesielt i tilfelle av svært høye kraftbelastninger som kreves for hurtiglading av elbiler.

ON Semis strategi med å satse tungt på silisiumkarbid førte til at selskapet opplevde en enorm inntektsøkning de siste årene, drevet av elbilrevolusjonen.

Kilde: ON Semi

Silisiumkarbid‑sensorer er både mer energieffektive og presterer bedre i lavlysforhold, noe som vil være avgjørende for å bygge trygge selvkjørende biler.

ON Semis silisiumkarbid‑produkter brukes også i solenergi‑installasjoner av alle størrelser, datasentre og sensorer av alle typer (ultralyd, elektro‑kjemisk, som blodsukkermåling, og metallgjenstanddeteksjon).

I takt med trenden mot elektrifisering kontrollerer ON Semi 10 % av de globale SiC‑inntektene, og er et av de ledende nordamerikanske selskapene i sektoren, i konkurranse med europeiske selskaper som Infineon (IFNNY) og det bredere halvlederselskapet STMicroelectronics (STM ).

Kilde: McKinsey

Ettersom de vestlige industrielle forsyningskjedene relokaliserer bort fra kinesisk leveranse, vil ON Semi sannsynligvis dra stor nytte av elektrifiseringstrenden, spesielt innen elbiler og andre grønne energier.

(Du kan også lese en lengre artikkel om dette selskapet i “On Semiconductor (ON): Silisiumkarbid driver elektrifisering”.)

Aehr er et halvlederfirma med spesialisering innen silisiumkarbid.

Mer presist produserer selskapet utstyr for testing av silisiumkarbid‑wafer. Dette gir det en tilstedeværelse i elbil‑bilsektoren, smarttelefoner, databrikker og fotonikk/telekommunikasjon.

Kilde: Aehr

Dette gjør Aehr til et svært nisje‑ og teknisk selskap og en kritisk komponent i forsyningskjeden. Det hevder å være «på vei til å bli industristandarden for et kritisk produksjonstrinn for silisiumkarbid‑kraft‑halvledere».

Aehr utvikler også aktivt nye markeder, spesielt galliumnitrid‑burn‑in‑markedet, brukt i høy‑effekt‑applikasjoner som fotovoltaiske invertere, og gjør det tilstede i begge alternativer til silisium‑basert kraft‑elektronikk.

Dette gir Aehr en svært diversifisert kundebase, som inkluderer de mest fremtredende innen halvleder- og verktøysindustrien, inkludert TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) og Bosch.

Kilde: Aehr

Selskapet kan dra stor nytte av nye fremvoksende segmenter i halvlederindustrien, som silisium‑fotonikk.

I mellomtiden, ved å besette en liten og viktig nisje (testing av silisiumkarbid) innen en annen nisje i elbilforsyningskjeden (silisiumkarbid‑kraft‑elektronikk), er Aehr godt posisjonert til å dra nytte av veksten i elbilproduksjonsvolum, uavhengig av den nyeste batteriteknologien, bilmodellen eller endringer i ladekontaktstandarder.

Etter en enorm aksjekursøkning i 2023, på toppen av entusiasmen for enhver elbil‑relatert aksje, er selskapet nå tilbake til en mer rimelig verdivurdering og representerer et «pick‑and‑shovel»-alternativ for investorer i silisiumkarbid‑sektoren.