Uvod u silicijum karbid
Silicijev karbid (SiC) je složeni poluprovodnički materijal sastavljen od ugljika i silicija, koji je jedan od idealnih materijala za izradu uređaja visoke temperature, visoke frekvencije, velike snage i visokog napona. U poređenju s tradicionalnim silicijskim materijalom (Si), širina zabranjene zone silicij-karbida je 3 puta veća od silicija. Toplinska provodljivost je 4-5 puta veća od silicija; probojni napon je 8-10 puta veći od silicija; brzina elektronskog zasićenja je 2-3 puta veća od silicija, što zadovoljava potrebe moderne industrije za visokom snagom, visokim naponom i visokom frekvencijom. Uglavnom se koristi za proizvodnju brzih, visokofrekventnih, snažnih i svjetlosno emitirajućih elektronskih komponenti. Područja primjene u nizvodnom dijelu uključuju pametne mreže, vozila s novom energijom, fotonaponsku energiju vjetra, 5G komunikaciju itd. Silicijum-karbidne diode i MOSFET-ovi su komercijalno primijenjeni.
Otpornost na visoke temperature. Širina zabranjene zone silicijum karbida je 2-3 puta veća od širine zabranjene zone silicijum karbida, elektroni se ne mijenjaju lako na visokim temperaturama i mogu izdržati više radne temperature, a toplinska provodljivost silicijum karbida je 4-5 puta veća od silicija, što olakšava odvođenje topline uređaja i višu graničnu radnu temperaturu. Otpornost na visoke temperature može značajno povećati gustoću snage, a istovremeno smanjiti zahtjeve za sistem hlađenja, čineći terminal lakšim i manjim.
Otporan na visoki pritisak. Jačina probojnog električnog polja silicijum karbida je 10 puta veća od jačine silicijuma, koji može izdržati veće napone i pogodniji je za visokonaponske uređaje.
Otpornost na visoke frekvencije. Silicijum karbid ima dvostruko veću zasićenu brzinu drifta elektrona od silicijuma, što rezultira odsustvom strujnog repa tokom procesa isključivanja, što može efikasno poboljšati frekvenciju preključivanja uređaja i ostvariti minijaturizaciju uređaja.
Nizak gubitak energije. U poređenju sa silicijumskim materijalom, silicijum karbid ima vrlo nizak otpor uključenja i niske gubitke uključenja. Istovremeno, velika širina zabranjene zone silicijum karbida značajno smanjuje struju curenja i gubitak snage. Osim toga, silicijum karbidni uređaj nema fenomen zaostajanja struje tokom procesa isključivanja, a gubici pri preključivanju su niski.
Industrijski lanac silicijum karbida
Uglavnom uključuje supstrat, epitaksiju, dizajn uređaja, proizvodnju, zaptivanje i tako dalje. Silicij-karbid, od materijala do poluprovodničkog uređaja za napajanje, prolazi kroz procese rasta monokristala, rezanja ingota, epitaksijalnog rasta, dizajna pločice, proizvodnje, pakovanja i drugih procesa. Nakon sinteze praha silicij-karbida, prvo se izrađuje ingot silicij-karbida, zatim se supstrat silicij-karbida dobija rezanjem, brušenjem i poliranjem, a epitaksijalni list se dobija epitaksijalnim rastom. Epitaksijalna pločica se izrađuje od silicij-karbida litografijom, nagrizanjem, jonskom implantacijom, pasivizacijom metala i drugim procesima, pločica se reže u matricu, uređaj se pakuje, a uređaj se kombinuje u posebnu ljusku i sastavlja u modul.
Uzvodno u industrijskom lancu 1: rast supstrata - kristala je ključna procesna karika
Silicijum karbidna podloga čini oko 47% troškova silicijum karbidnih uređaja, što predstavlja najveće tehničke barijere u proizvodnji i najveću vrijednost te je osnova buduće industrijalizacije SiC velikih razmjera.
Sa stanovišta razlika u elektrohemijskim svojstvima, materijali silicijum karbidnih podloga mogu se podijeliti na provodljive podloge (područje otpornosti 15~30mΩ·cm) i poluizolovane podloge (otpornost veća od 105Ω·cm). Ove dvije vrste podloga se koriste za proizvodnju diskretnih uređaja kao što su energetski uređaji i radiofrekventni uređaji, nakon epitaksijalnog rasta. Među njima, poluizolovana silicijum karbidna podloga se uglavnom koristi u proizvodnji RF uređaja od galijum nitrida, fotoelektričnih uređaja i tako dalje. Rastom gan epitaksijalnog sloja na poluizolovanoj SIC podlozi, priprema se sic epitaksijalna ploča, koja se dalje može pripremiti u HEMT gan izo-nitridne RF uređaje. Provodljiva silicijum karbidna podloga se uglavnom koristi u proizvodnji energetskih uređaja. Za razliku od tradicionalnog procesa proizvodnje silicijumskih energetskih uređaja, silicijum-karbidni energetski uređaj ne može se direktno napraviti na silicijum-karbidnoj podlozi, već se epitaksijalni sloj silicijum-karbida mora uzgajati na provodljivoj podlozi da bi se dobio silicijum-karbidni epitaksijalni sloj, a epitaksijalni sloj se proizvodi na Schottky diodi, MOSFET-u, IGBT-u i drugim energetskim uređajima.
Prah silicijum karbida sintetiziran je od praha ugljika visoke čistoće i praha silicija visoke čistoće, a različite veličine ingota silicijum karbida uzgojene su pod posebnim temperaturnim poljem, a zatim je supstrat silicijum karbida proizveden kroz više procesa obrade. Osnovni proces uključuje:
Sinteza sirovina: Visokočisti silicijumski prah + toner se miješaju prema formuli, a reakcija se provodi u reakcijskoj komori pod uslovima visoke temperature iznad 2000°C kako bi se sintetizirale čestice silicijum karbida sa specifičnim tipom kristala i veličinom čestica. Zatim se kroz drobljenje, prosijavanje, čišćenje i druge procese ispunjavaju zahtjevi za visokočistim sirovinama od silicijum karbidnog praha.
Rast kristala je osnovni proces proizvodnje silicijum karbidne podloge, koji određuje električna svojstva silicijum karbidne podloge. Trenutno su glavne metode za rast kristala fizički prenos pare (PVT), hemijsko taloženje pare na visokim temperaturama (HT-CVD) i epitaksija tečne faze (LPE). Među njima, PVT metoda je trenutno glavna metoda za komercijalni rast SiC podloge, sa najvećom tehničkom zrelošću i najšire korištenom u inženjerstvu.
Priprema SiC supstrata je teška, što dovodi do njegove visoke cijene.
Kontrola temperaturnog polja je teška: za rast Si kristalnih šipki potrebno je samo 1500℃, dok se SiC kristalne šipke moraju uzgajati na visokoj temperaturi iznad 2000℃, a postoji više od 250 SiC izomera, ali glavna 4H-SiC monokristalna struktura za proizvodnju energetskih uređaja, ako se ne kontrolira precizno, dobit će druge kristalne strukture. Osim toga, temperaturni gradijent u lončiću određuje brzinu sublimacije SiC i raspored i način rasta plinovitih atoma na kristalnoj granici, što utječe na brzinu rasta kristala i kvalitet kristala, pa je potrebno formirati sistematsku tehnologiju kontrole temperaturnog polja. U usporedbi s Si materijalima, razlika u proizvodnji SiC je i u visokotemperaturnim procesima kao što su implantacija iona na visokoj temperaturi, oksidacija na visokoj temperaturi, aktivacija na visokoj temperaturi i proces tvrde maske koji zahtijevaju ovi visokotemperaturni procesi.
Spori rast kristala: brzina rasta Si kristalne šipke može doseći 30 ~ 150 mm/h, a proizvodnja 1-3 m silicijumske kristalne šipke traje samo oko 1 dan; SiC kristalna šipka PVT metodom, na primjer, ima brzinu rasta od oko 0,2-0,4 mm/h, a za 7 dana naraste manje od 3-6 cm, što je manje od 1% silicijumskog materijala, a proizvodni kapacitet je izuzetno ograničen.
Visoki parametri proizvoda i nizak prinos: osnovni parametri SiC supstrata uključuju gustoću mikrotubula, gustoću dislokacija, otpornost, savijanje, hrapavost površine itd. To je složen sistemski inženjering za raspoređivanje atoma u zatvorenoj komori visoke temperature i dovršetak rasta kristala, uz kontrolu indeksa parametara.
Materijal ima visoku tvrdoću, visoku krhkost, dugo vrijeme rezanja i visoku otpornost na habanje: Mohsova tvrdoća SiC-a od 9,25 je druga odmah iza dijamanta, što dovodi do značajnog povećanja težine rezanja, brušenja i poliranja, a potrebno je približno 120 sati za rezanje 35-40 komada ingota debljine 3 cm. Osim toga, zbog visoke krhkosti SiC-a, habanje pri obradi pločice bit će veće, a izlazni omjer je samo oko 60%.
Trend razvoja: Povećanje veličine + smanjenje cijene
Globalno tržište SiC proizvoda za proizvodnju od 6 inča sazrijeva, a vodeće kompanije su ušle na tržište od 8 inča. Domaći razvojni projekti su uglavnom za 6 inča. Trenutno, iako se većina domaćih kompanija i dalje zasniva na proizvodnim linijama od 4 inča, industrija se postepeno širi na 6 inča. Sa zrelošću tehnologije prateće opreme za 6 inča, domaća tehnologija SiC supstrata također postepeno poboljšava ekonomiju obima velikih proizvodnih linija, što će se odraziti i na trenutne domaće vremenske razlike u masovnoj proizvodnji od 6 inča, koje se smanjuju na 7 godina. Veća veličina pločice može dovesti do povećanja broja pojedinačnih čipova, poboljšanja stope prinosa i smanjenja udjela ivičnih čipova, dok će troškovi istraživanja i razvoja i gubitak prinosa ostati na oko 7%, čime se poboljšava iskorištenost pločice.
Još uvijek postoje mnoge poteškoće u dizajnu uređaja
Komercijalizacija SiC dioda se postepeno poboljšava, trenutno je nekoliko domaćih proizvođača dizajniralo SiC SBD proizvode. SiC SBD proizvodi srednjeg i visokog napona imaju dobru stabilnost. U vozilima, korištenjem SiC SBD+SI IGBT tranzistora postiže se stabilna gustoća struje. Trenutno nema prepreka u patentnom dizajnu SiC SBD proizvoda u Kini, a razlika u odnosu na strane zemlje je mala.
SiC MOS i dalje ima mnogo poteškoća, još uvijek postoji jaz između SiC MOS-a i stranih proizvođača, a relevantna proizvodna platforma je još uvijek u izgradnji. Trenutno su ST, Infineon, Rohm i drugi 600-1700V SiC MOS postigli masovnu proizvodnju i potpisali su i isporučuju s mnogim proizvodnim industrijama, dok je trenutni domaći dizajn SiC MOS-a u osnovi završen, brojni proizvođači dizajna rade s tvornicama u fazi toka pločica, a kasnija verifikacija od strane kupaca još uvijek zahtijeva neko vrijeme, tako da je još uvijek dugo vremena do komercijalizacije velikih razmjera.
Trenutno je planarna struktura glavni izbor, a rovasti tip će se u budućnosti široko koristiti u oblasti visokog pritiska. Proizvođači SiC MOS tranzistora sa planarnom strukturom su mnogi, planarna struktura ne stvara probleme sa lokalnim probojima u poređenju sa žljebovima, što utiče na stabilnost rada. Na tržištu ispod 1200V ima širok raspon primjene, a planarna struktura je relativno jednostavna u proizvodnji, zadovoljavajući dva aspekta: proizvodnost i kontrolu troškova. Žljebni uređaj ima prednosti izuzetno niske parazitske induktivnosti, velike brzine prebacivanja, niskih gubitaka i relativno visokih performansi.
2--Vijesti o SiC pločicama
Rast proizvodnje i prodaje na tržištu silicijum karbida, obratite pažnju na strukturni disbalans između ponude i potražnje
S brzim rastom tržišne potražnje za visokofrekventnom i visokoenergetskom energetskom elektronikom, fizičko ograničenje uskog grla poluprovodničkih uređaja na bazi silicija postepeno je postalo istaknuto, a poluprovodnički materijali treće generacije, predstavljeni silicijum karbidom (SiC), postepeno su postali industrijalizirani. Sa stanovišta performansi materijala, silicijum karbid ima 3 puta veću širinu zabranjenog pojasa od silicijumskog materijala, 10 puta veću kritičnu jačinu električnog polja proboja i 3 puta veću toplotnu provodljivost, tako da su energetski uređaji na bazi silicijum karbida pogodni za visokofrekventne, visokopritiske, visoke temperature i druge primjene, pomažući u poboljšanju efikasnosti i gustine snage energetskih elektronskih sistema.
Trenutno se SiC diode i SiC MOSFET-ovi postepeno pojavljuju na tržištu, a postoje i zreliji proizvodi, među kojima se SiC diode u nekim oblastima široko koriste umjesto dioda na bazi silicija jer nemaju prednost obrnutog oporavka punjenja; SiC MOSFET se također postepeno koristi u automobilskoj industriji, skladištenju energije, punjenju, fotonaponskim sistemima i drugim oblastima; U oblasti automobilskih primjena, trend modularizacije postaje sve izraženiji, a vrhunske performanse SiC-a moraju se oslanjati na napredne procese pakovanja kako bi se postigle, tehnički gledano, s relativno zrelim zaptivanjem ljuske kao glavnim tokom, budućnost ili razvoj plastičnog zaptivanja, njegove prilagođene razvojne karakteristike su pogodnije za SiC module.
Brzina pada cijene silicijum karbida ili nešto što prevazilazi maštu
Primjena silicijum-karbidnih uređaja uglavnom je ograničena visokom cijenom. Cijena SiC MOSFET-a na istom nivou je 4 puta veća od cijene Si IGBT-a. To je zato što je proces proizvodnje silicijum-karbida složen, u kojem rast monokristala i epitaksijalnog materijala nije samo štetan za okolinu, već je i stopa rasta spora, a obrada monokristala u supstrat mora proći kroz proces rezanja i poliranja. Zbog vlastitih karakteristika materijala i nezrele tehnologije obrade, prinos domaćeg supstrata je manji od 50%, a različiti faktori dovode do visokih cijena supstrata i epitaksijalnog materijala.
Međutim, sastav troškova uređaja od silicijum karbida i uređaja na bazi silicija je dijametralno suprotan, troškovi supstrata i epitaksijalnog materijala prednjeg kanala čine 47% odnosno 23% ukupnog uređaja, što ukupno iznosi oko 70%, dok dizajn uređaja, proizvodnja i zaptivanje zadnjeg kanala čine samo 30%, troškovi proizvodnje uređaja na bazi silicija uglavnom su koncentrisani u proizvodnji pločica zadnjeg kanala oko 50%, a troškovi supstrata čine samo 7%. Fenomen obrnutog lanca vrijednosti industrijskog lanca silicijum karbida znači da proizvođači epitaksijalnih materijala uzvodno imaju osnovno pravo da govore, što je ključ za raspored domaćih i stranih preduzeća.
Sa dinamičke tačke gledišta na tržištu, smanjenje troškova silicijum karbida, pored poboljšanja procesa dugog kristala i rezanja silicijum karbida, znači i proširenje veličine pločice, što je u prošlosti bio i zreli put razvoja poluprovodnika. Podaci Wolfspeeda pokazuju da se povećanjem dužine silicijum karbidne podloge sa 6 inča na 8 inča, proizvodnja kvalifikovanih čipova može povećati za 80%-90%, što pomaže u poboljšanju prinosa. Kombinovani troškovi po jedinici mogu se smanjiti za 50%.
2023. godina poznata je kao "prva godina 8-inčnog SiC-a", ove godine domaći i strani proizvođači silicijum karbida ubrzavaju postavljanje 8-inčnih silicijum karbidnih podloga, poput Wolfspeed-ove lude investicije od 14,55 milijardi američkih dolara za proširenje proizvodnje silicijum karbida, čiji je važan dio izgradnja pogona za proizvodnju 8-inčnih SiC podloga. Kako bi se osigurala buduća isporuka 200 mm golog metala SiC-a brojnim kompanijama; Domestic Tianyue Advanced i Tianke Heda također su potpisali dugoročne ugovore s Infineonom za buduću isporuku 8-inčnih silicijum karbidnih podloga.
Počevši od ove godine, silicijum karbid će se ubrzati sa 6 inča na 8 inča, Wolfspeed očekuje da će do 2024. godine cijena jedinice čipa od 8 inča u poređenju sa cijenom jedinice čipa od 6 inča u 2022. godini biti smanjena za više od 60%, a pad troškova će dodatno otvoriti tržište primjene, ističu istraživački podaci Ji Bond Consultinga. Trenutni tržišni udio proizvoda od 8 inča je manji od 2%, a očekuje se da će tržišni udio porasti na oko 15% do 2026. godine.
U stvari, stopa pada cijene silicijum karbidne podloge može premašiti maštu mnogih ljudi, trenutna tržišna ponuda 6-inčne podloge iznosi 4000-5000 juana po komadu, što je znatno niže u poređenju s početkom godine, a očekuje se da će sljedeće godine pasti ispod 4000 juana. Vrijedi napomenuti da su neki proizvođači, kako bi prvi osvojili tržište, smanjili prodajnu cijenu na nižu cijenu. Otvorio se model cjenovno-rata, uglavnom koncentrisanog na ponudu silicijum karbidne podloge u oblasti niskog napona, dok domaći i strani proizvođači agresivno proširuju proizvodne kapacitete ili dozvoljavaju da se silicijum karbidna podloga ranije razvije u fazu prekomjerne ponude nego što se očekivalo.
Vrijeme objave: 19. januar 2024.