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Interview mit Jean-Christophe Eloy, Yole

Vertical GaN wird es nicht vor Ende dieses Jahrzehnts geben

5. Februar 2024, 14:30 Uhr | Engelbert Hopf

Jean-Christophe Eloy, Yole Group: »Chinesische Hersteller sind heute schon mit kostengünstigen SiC-Schottky-Dioden auf dem heimischen Markt aktiv. Als Nächstes werden sie auf den SiC-MOSFET-Markt vordringen. Wir wissen von mehreren Akteuren, die sich bereits mit laufenden Projekten beschäftigen.«

Jean-Christophe Eloy, Gründer, President und CEO der Yole-Gruppe, ist zuversichtlich, dass die neuen SiC-Produktionskapazitäten die Nachfrage befriedigen können. Im Interview mit Markt&Technik spricht er von der Rolle, die Wafergrößen und chinesische Hersteller einnehmen werden.

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Markt&Technik: Wenn Sie einen Blick auf das Jahr 2024 werfen, wie lautet Ihre Prognose für die Leistungshalbleiterindustrie und insbesondere für die Hersteller von SiC und GaN?

Jean-Christophe Eloy: SiC ist auf der Überholspur für BEVs (Battery Electric Vehicles, Anmerkg. der Red.), während GaN darauf wartet, mit einem anderen Markttreiber als Smartphone-Ladegeräten durchzustarten.

Siliziumkarbid (SiC) mit neuen Marktteilnehmern und Partnerschaften

Das Faszinierende am SiC-Geschäft ist, dass es immer wieder neue Marktteilnehmer anzieht wie zuletzt Renesas, das als letztes der großen Unternehmen im vegangenen Jahr eingestiegen ist. Außerdem gibt es Kooperationen wie die zwischen Mitsubishi und Nexperia – werden wir noch mehr solcher Kollaborationen sehen?

In der Tat wird es mehr Partnerschaften geben. Ab 2024 ist die Mehrfachbeschaffung von SiC-Wafern bereits der Fall, was einen erheblichen Fortschritt darstellt. Eine nächste Welle könnte die Beschaffung von 8-Zoll-SiC-Wafern sein, da diese heute noch nicht sehr zugänglich sind und die IDMs (Anmerkg. der Red.: Integrated Device Manufacturers, also Hersteller mit eigener Fertigung) daran arbeiten. Welche Kooperationen es geben wird, hängt mit den Strategien der einzelnen Akteure, der Art der Beschaffung und dem Schwerpunkt ihres Kerngeschäfts zusammen. Wir erwarten darum, dass es in den nächsten Jahren mehr Partnerschaften im SiC-Geschäft geben wird. In letzter Zeit sind beispielsweise japanische Unternehmen durch Partnerschaften und Übernahmen in der SiC- und GaN-Industrie sehr aktiv, wie wir in unseren Artikeln analysiert haben.

Wenn man über SiC spricht, geht es fast immer um die Automobilindustrie. Aber auch die erneuerbaren Energien gewinnen an Bedeutung. Im Nahen Osten werden beispielsweise riesige Solarfelder gebaut. Welche Rolle werden SiC und GaN in Zukunft im PV-Sektor spielen?

Aufgrund der starken Nachfrage nach EVs mit größerer Reichweite wird die Automobilindustrie der wichtigste Markttreiber für SiC bleiben. Neben den Elektrofahrzeugen sehen wir ein wachsendes Interesse am Einsatz von SiC und GaN in industriellen Anwendungen und im Energiesektor. Derzeit sind SiC-Dioden weit verbreitet, und mit der Kapazitätserweiterung werden die Kosten für SiC-MOSFETs sinken, sodass sie leichter zugänglich werden. Im Hinblick auf GaN gibt es einige Anwendungsfälle von PV-Mikrowechselrichtern und Batterie-Energiespeichersystemen, kurz: BESS, mit geringerer Leistung. GaN-Bauelemente werden für Systeme mit geringer Leistung von einigen Kilowatt oder weniger in Betracht gezogen, die für den Einsatz in Wohngebäuden geeignet sind.

In einer Ihrer jüngsten Studien schätzen Sie, dass SiC im Jahr 2028 wahrscheinlich einen Anteil von fast 30 Prozent am weltweiten Markt für Leistungshalbleiter haben wird. Was würde das in Bezug auf das Umsatzvolumen bedeuten? Wann würden Sie einen Anteil von 50 Prozent für möglich halten?

Weltweit wächst der Markt für Leistungshalbleiter in allen Segmenten, dank des starken Trends zur Elektrifizierung. Si-Bauelemente, MOSFETs, SJ-MOSFETs oder auch IGBTs sind in Bezug auf Kosten, technologische Reife und Angebot immer noch sehr wettbewerbsfähig. Es könnte sinnvoller sein, den wertmäßigen Marktanteil von SiC von 30 Prozent im Jahr 2028 zu betrachten und dann auf die einzelnen Anwendungen einzugehen. Die wichtigsten sind EVs, wo wir erwarten, dass SiC die Mehrheit der 800-V-Antriebsstränge übernehmen wird, während 400 V der Markt für IGBTs bleibt, die einen gewissen Marktanteil übernehmen. Industrielle Anwendungen, wie Off-Board-Ladegeräte und Photovoltaik-Wechselrichter sind reif für eine Wachstumsdynamik von SiC.

SiC ersetzt IGBTs. Können Sie einen Faktor angeben, wie viele SiC-Komponenten benötigt werden, um denselben Strom wie ein IGBT zu schalten?

Um genau zu sein, kann SiC eine höhere Leistungsdichte bewältigen, was bedeutet, dass für dieselbe Lösung weniger SiC in mm2 benötigt wird als für einen IGBT in mm2. Aus dem von uns veröffentlichten Tear-Down-Bericht geht hervor, dass der Faktor grob auf 50 Prozent geschätzt werden kann, da SiC mehr als doppelt so viel Strom wie seine IGBT-Gegenstücke schalten kann.

Auch im Bereich des klassischen Siliziums steht die Entwicklung nicht still, hier werden Superjunction-IGBTs entwickelt. Wann erwarten Sie diese Bauteile auf dem Markt? Es heißt, dass einige Unternehmen auch an SiC-IGBTs arbeiten. Wann rechnen Sie mit der Markteinführung dieser Produkte? Vertikale GaN-Bauelemente wären so etwas wie der heilige Gral der Leistungselektronik. Sehen Sie eine Chance, dass so etwas noch vor Ende dieses Jahrzehnts auf den Markt kommt?

Es handelt sich um laufende Forschungs- und Entwicklungsprojekte für SiC-IGBTs, die auf Hochspannungsbauteile abzielen wie etwa 10-kV-Bauteile für Netzanwendungen. Diese werden von einigen Geräteherstellern vorangetrieben, aber wir halten sie nicht für eine bedeutende Wachstumsmöglichkeit für SiC in den nächsten Jahren. Im Vergleich zu lateralen GaN-HEMTs profitieren vertikale GaN-Bauelemente am meisten von der Verwendung von GaN, da sie Durchbruchspannungen von bis zu 10 kV erreichen können und auch einen niedrigen RDson aufweisen, was zu höheren Leistungsdichten und besseren Wirkungsgraden führt. Jedoch steht die Kommerzialisierung dieser Technologie noch vor mehreren Herausforderungen.

Erstens sind handelsübliche GaN-Substrate nach wie vor teuer und in ihrer Größe begrenzt, insbesondere im Vergleich zu den handelsüblichen Si-Wafern für laterales GaN. Zweitens ist die Verarbeitung von vertikalen GaN-Bauelementen noch nicht ausgereift; so ist zum Beispiel die Bildung von p-dotierten Bereichen immer noch eine Herausforderung. Und drittens ist die Lieferkette für vertikale GaN-Bauelemente bis 2023 noch weit davon entfernt, etabliert zu sein; nur einige wenige Startups arbeiten an dieser Technologie, und wir sehen keine großen IDMs in der Leistungselektronikbranche, die aktiv vertikale GaN-Produkte entwickeln.

Aus diesen Gründen gehen wir nicht davon aus, dass diese Technologie vor Ende dieses Jahrzehnts in nennenswertem Umfang auf den Markt kommen wird.

Bislang wurden weltweit rund 40 Milliarden Dollar in die Entwicklung der SiC-Industrie investiert. Es wird behauptet, dass noch einmal bis zu 30 Milliarden Dollar erforderlich wären, um die zur Deckung der Nachfrage erforderlichen Produktionsmengen zu erreichen. Stimmen Sie dieser Einschätzung zu?

Bei den Investitionen in die Halbleiterindustrie gibt es immer ein Auf und Ab: Die großen Unternehmen wollen ihre Führungsposition ausbauen, und neue Unternehmen drängen auf einen schnellen Einstieg. Die Höhe der Investitionen verdeutlicht den Wachstumstrend des SiC-Marktes, und der Betrag würde höher ausfallen, als der Markt benötigt, wenn so viele Akteure einen bedeutenden Marktanteil erobern wollen. Daher wird in den kommenden Jahren auf allen Ebenen der SiC-Lieferkette weiter investiert werden.

Bei der Frage des Produktionsvolumens geht es immer auch darum, dass bisher nur eine begrenzte Anzahl von Waferlieferanten zur Verfügung steht. Nun drängen chinesische Anbieter auf den Markt. Erwarten Sie, dass die Zahl der SiC-Wafer-Lieferanten in den nächsten Jahren zunehmen wird?

Ja, und das ist bereits heute der Fall. Neben Wolfspeed und Coherent sind mehrere Akteure in der Lage, SiC-Wafer in großen Mengen zu liefern, nicht nur aus China. Wir befinden uns in einer Expansionsphase, und in naher Zukunft werden weitere Wafer-Lieferanten von Geräteherstellern qualifiziert werden.

Chinesische Hersteller sind bereits auf dem Markt für SiC-Wafer tätig. Wann erwarten Sie, dass chinesische SiC-Dioden- und MOSFET-Hersteller in größerer Zahl auf dem Weltmarkt aktiv werden?

Nach der Analyse in unseren Tear-Down-Berichten liefern mehrere chinesische Unternehmen SiC-Dioden und -Transistoren. Sie liegen Generationen hinter den Marktführern, den internationalen IDMs, zurück, aber chinesische Unternehmen haben Projekte zur Entwicklung von Bauelementekapazitäten und neuen Anlagen sowie zur Durchdringung der Endanwendungen in Angriff genommen. Chinesische Bauelementehersteller konzentrieren sich auf den heimischen Markt, zum Beispiel mit kostengünstigen SiC-SBDs. Der nächste Schritt ist das Vordringen auf den SiC-MOSFET-Markt, und wir wissen von mehreren Akteuren mit laufenden Projekten.

Ein wichtiger Schritt zu einer höheren Produktion von SiC-Bauteilen wäre der Übergang von 150- auf 200-mm-Wafer. Derzeit gibt es weltweit neun Projekte, von denen nur Wolfspeed derzeit in der Massenproduktion ist. Wann rechnen Sie damit, dass die im Bau befindlichen und die angekündigten 200-mm-Projekte alle in Produktion gehen werden? Erwarten Sie in naher Zukunft weitere Ankündigungen über den Bau von 200-mm-SiC-Wafer-Fabriken?

200 mm gilt als Voraussetzung für einen schnellen Anstieg der SiC-Produktion, da mehr Bauelemente auf einem Wafer hergestellt werden können und höhere Automatisierungsstufen zum Einsatz kommen. Wolfspeed hat bewiesen, dass dies machbar, aber nicht einfach ist, da das Unternehmen den Übergang mit der Eröffnung seiner MHV-Fabrik im Jahr 2022 eingeleitet hat. Andere große IDMs planen, Ende 2024 oder 2025 mit ersten Stückzahlen zu beginnen. Tatsache ist jedoch, dass verschiedene Probleme nacheinander gelöst werden müssen: ein begrenztes Angebot an 200-mm-SiC-Wafern auf dem Markt aufgrund von Herausforderungen bei der Waferproduktion, geringere Erträge und höhere Kosten, Vorlaufzeiten für die Infrastruktur und Ausrüstung der Fabriken, und auch die Qualifizierung braucht Zeit.

Und vergessen wir nicht, dass 150-mm-SiC aufgrund von Skaleneffekten an Wettbewerbsfähigkeit gewinnt; mehrere Wafer-Lieferanten, insbesondere aus China, sind in der Lage, 150-mm-SiC-Wafer zu einem niedrigeren Preis zu liefern. Daher ist 200 mm in naher Zukunft eine strategische Wahl, um langfristig Marktanteile für die großen IDMs zu gewinnen, die Aufträge von Großkunden in der Pipeline haben. Und 2024–25 ist der richtige Zeitpunkt, um damit zu beginnen; es braucht Zeit, um die technologischen Herausforderungen und Lieferkettenprobleme zu bewältigen.

Wie wichtig wird Galliumnitrid (GaN) in der Zukunft?

Im Vergleich zu SiC hat GaN bisher eine Nischenrolle gespielt. Ihre Yole-Gruppe schätzt das weltweite Umsatzvolumen für GaN im Jahr 2022 auf 182 Millionen Dollar. Im Jahr 2028 erwarten Sie ein Umsatzvolumen von über 2 Milliarden Dollar. Was werden die wichtigsten Wachstumsfaktoren für dieses Wachstum sein? Die Verwendung von GaN im Automobilsektor?

Bisher waren GaN-Bauteile sehr erfolgreich bei der Durchdringung des Verbrauchermarktes durch Schnellladeanwendungen. Es wird erwartet, dass diese Akzeptanz mit dem jüngsten Trend zu höherer Leistung über 100 W und der Verwendung von Ladegeräten mit mehreren Anschlüssen zunehmen wird. GaN wird sich auch auf andere Verbrauchersegmente ausdehnen, etwa auf Haushaltsgeräte.

Ein weiterer wichtiger Wachstumssektor für GaN wird voraussichtlich die Automobilindustrie sein. So läuft die Entwicklung von GaN-basierten Automobilsystemen bereits seit über einem Jahrzehnt. Mehrere GaN-Hersteller arbeiten eng mit den Tier-Ones und OEMs der Automobilindustrie zusammen. Wir gehen davon aus, dass GaN in den nächsten zwei bis drei Jahren als Erstes in den OBC- und DC/DC-Anwendungen des Automobilantriebsstrangs Einzug halten wird. Es wird erwartet, dass das Automobil- und Mobilitätssegment bis 2028 mehr als 25 Prozent des gesamten Marktes für Power-GaN-Bauelemente ausmachen wird.

Es wird immer wieder darüber diskutiert, dass GaN in den Spannungsbereich von 1200 V vordringen und damit direkt mit SiC konkurrieren könnte. Halten Sie dies aus heutiger Sicht für realistisch?

Nachdem wir den Erfolg von SiC in der Automobilindustrie gesehen haben, werden 800-V-BEV-Antriebsstränge in den kommenden Jahren die wichtigste Wachstumsanwendung für 1200-V-SiC sein. Bei GaN ist das Potenzial vorhanden, aber der erste Schritt besteht darin, ein 1200-V-Bauteil fertig zu haben. Heute haben wir einige 1200-V-Bauteile in der Entwicklung gesehen, aber es wird noch einige Zeit dauern, bis GaN in die Hochspannungsanwendungen eintritt. Parallel dazu gibt es Lösungen, die 650-V-GaN in Multi-Level-Topologien verwenden, um die Nennspannung zu erreichen, aber sie sind komplexer zu bauen. Insgesamt liegt der »Sweet Spot« von GaN bei 650 V und Niederspannung unter 200 V; 1200 V ist ein längerfristiger Markt für GaN.

So sehr SiC und GaN Einsparungen in Bezug auf Volumen und Gewicht ermöglichen, kann die hohe Packungsdichte zu Problemen mit EMI führen. Wird dieser Aspekt Ihrer Meinung nach heute noch von vielen unterschätzt?

Die Industrie ist sich der Probleme bewusst, die der Betrieb von Wide-Bandgap-Bauelementen bei hohen Frequenzen mit sich bringt, insbesondere bei GaN-Bauelementen, die bei einigen Megahertz schalten können, verglichen mit 100 Kilohertz bei SiC und 10 Kilohertz bei Si. Da einer der Vorteile von WBG die Kompaktheit des Systems mit einer kleineren Induktivität bei Hochfrequenzbetrieb ist, müssen die Entwicklungen im Bereich des Gehäuses und anderer passiver Bauelemente wie etwa der Magnetik weiterverfolgt werden. Es wurden große Anstrengungen unternommen, um die technischen Herausforderungen zu bewältigen, was sicherlich dazu beitragen wird, dass WBG-Geräte mit Problemen wie EMI fertig werden.