Uvod u silicijum karbid
Silicijum karbid (SiC) je složeni poluprovodnički materijal sastavljen od ugljenika i silicijuma, koji je jedan od idealnih materijala za izradu visokotemperaturnih, visokofrekventnih, visokonaponskih i visokonaponskih uređaja.U poređenju sa tradicionalnim silicijumskim materijalom (Si), zazor silicijum karbida je 3 puta veći od silicijumskog.Toplotna provodljivost je 4-5 puta veća od silicijuma;Napon proboja je 8-10 puta veći od silicijuma;Brzina pomaka elektronskog zasićenja je 2-3 puta veća od silicijuma, što zadovoljava potrebe moderne industrije za velikom snagom, visokim naponom i visokom frekvencijom.Uglavnom se koristi za proizvodnju elektronskih komponenti velike brzine, visoke frekvencije, velike snage i svjetlosti.Nizvodna polja primjene uključuju pametnu mrežu, nova energetska vozila, fotonaponsku energiju vjetra, 5G komunikaciju, itd. Silicijum karbidne diode i MOSFET-ovi su komercijalno primijenjeni.
Otpornost na visoke temperature.Širina pojasa silicijum karbida je 2-3 puta veća od silicijum, elektroni nisu laki za prelaz na visokim temperaturama i mogu da izdrže veće radne temperature, a toplotna provodljivost silicijum karbida je 4-5 puta veća od silicijum, olakšavajući odvođenje toplote uređaja i višom graničnu radnu temperaturu.Otpornost na visoke temperature može značajno povećati gustinu snage uz istovremeno smanjenje zahtjeva za rashladnim sistemom, čineći terminal lakšim i manjim.
Izdržati visok pritisak.Jačina električnog polja silicijum karbida pri proboju je 10 puta veća od jačine silicijuma, koji može izdržati veće napone i pogodniji je za visokonaponske uređaje.
Otpor visoke frekvencije.Silicijum karbid ima dvostruko veću brzinu drifta elektrona od silicijuma, što rezultira odsustvom opadanja struje tokom procesa gašenja, što može efikasno poboljšati frekvenciju prebacivanja uređaja i ostvariti minijaturizaciju uređaja.
Mali gubitak energije.U poređenju sa silicijumskim materijalom, silicijum karbid ima veoma nizak otpor i nizak gubitak.Istovremeno, velika širina pojasa silicijum karbida uvelike smanjuje struju curenja i gubitak snage.Osim toga, uređaj od silicijum karbida nema fenomen zaostajanja struje tokom procesa gašenja, a gubitak pri prebacivanju je mali.
Lanac industrije silicijum karbida
Uglavnom uključuje supstrat, epitaksiju, dizajn uređaja, proizvodnju, brtvljenje i tako dalje.Silicijum karbid od materijala do poluvodičkog energetskog uređaja će doživjeti rast jednog kristala, rezanje ingota, epitaksijalni rast, dizajn pločice, proizvodnju, pakovanje i druge procese.Nakon sinteze praha silicijum karbida, prvo se pravi ingot silicijum karbida, a zatim se rezanjem, brušenjem i poliranjem dobija supstrat silicijum karbida, a epitaksijalnim rastom se dobija epitaksijalni list.Epitaksijalna pločica je napravljena od silicijum karbida litografijom, gravurom, ionskom implantacijom, pasivizacijom metala i drugim procesima, oblatna se izrezuje u kalupe, uređaj se pakuje, a uređaj se kombinuje u posebnu školjku i sklapa u modul.
Uzvodno od industrijskog lanca 1: supstrat - rast kristala je ključna karika procesa
Supstrat od silicijum karbida čini oko 47% troškova uređaja od silicijum karbida, najveće proizvodne tehničke barijere, najveća vrednost, jezgro buduće velike industrijalizacije SiC-a.
Iz perspektive razlika u elektrohemijskim svojstvima, materijali supstrata od silicijum karbida mogu se podeliti na provodljive podloge (područje otpornosti 15~30mΩ·cm) i poluizolovane podloge (otpornost veća od 105Ω·cm).Ove dvije vrste supstrata se koriste za proizvodnju diskretnih uređaja kao što su uređaji za napajanje i radiofrekventni uređaji nakon epitaksijalnog rasta.Među njima, poluizolovani supstrat od silicijum karbida uglavnom se koristi u proizvodnji RF uređaja od galij nitrida, fotoelektričnih uređaja i tako dalje.Uzgajanjem gan epitaksijalnog sloja na poluizolovanoj SIC podlozi, priprema se sic epitaksijalna ploča, koja se dalje može pripremiti u HEMT gan izo-nitrid RF uređaje.Provodljiva podloga od silicijum karbida uglavnom se koristi u proizvodnji energetskih uređaja.Za razliku od tradicionalnog procesa proizvodnje uređaja za napajanje silicijum karbida, uređaj za napajanje od silicijum karbida ne može se napraviti direktno na podlozi od silicijum karbida, epitaksijalni sloj od silicijum karbida treba da se uzgaja na vodljivoj podlozi da bi se dobio epitaksijalni sloj od silicijum karbida, a epitaksijalni sloj sloj se proizvodi na Schottky diodi, MOSFET-u, IGBT i drugim energetskim uređajima.
Silicijum karbid prah sintetiziran je iz ugljičnog praha visoke čistoće i silicijumskog praha visoke čistoće, a različite veličine ingota silicijum karbida su uzgajane u posebnom temperaturnom polju, a zatim je supstrat silicijum karbida proizveden kroz više procesa obrade.Osnovni proces uključuje:
Sinteza sirovog materijala: Silicijum u prahu visoke čistoće + toner se meša prema formuli, a reakcija se izvodi u reakcionoj komori pod uslovima visoke temperature iznad 2000°C da bi se sintetizovale čestice silicijum karbida sa specifičnim tipom kristala i česticama veličina.Zatim kroz drobljenje, prosijavanje, čišćenje i druge procese, kako bi se ispunili zahtjevi za sirovine silicijum karbidnog praha visoke čistoće.
Rast kristala je osnovni proces proizvodnje supstrata od silicijum karbida, koji određuje električna svojstva supstrata od silicijum karbida.Trenutno, glavne metode za rast kristala su fizički transfer pare (PVT), visokotemperaturno hemijsko taloženje pare (HT-CVD) i epitaksija tečne faze (LPE).Među njima, PVT metoda je trenutno glavna metoda za komercijalni rast SiC supstrata, s najvišom 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 kristalnog štapa potrebno je samo 1500℃, dok SiC kristalni štap treba uzgajati na visokoj temperaturi iznad 2000℃, a postoji više od 250 SiC izomera, ali glavna 4H-SiC monokristalna struktura za proizvodnja energetskih uređaja, ako ne i precizna kontrola, dobiće druge kristalne strukture.Osim toga, temperaturni gradijent u lončiću određuje brzinu prijenosa sublimacije SiC i raspored i način rasta plinovitih atoma na sučelju kristala, što utiče na brzinu rasta kristala i kvalitet kristala, pa je potrebno formirati sistematsko temperaturno polje. kontrolna tehnologija.U poređenju sa Si materijalima, razlika u proizvodnji SiC je takođe u visokotemperaturnim procesima kao što su visokotemperaturna implantacija jona, visokotemperaturna oksidacija, visokotemperaturna aktivacija i proces tvrde maske koji zahtevaju ovi visokotemperaturni procesi.
Sporo rast kristala: brzina rasta Si kristalnog štapa može doseći 30 ~ 150 mm/h, a proizvodnja silicijumske kristalne šipke od 1-3 m traje samo oko 1 dan;SiC kristalna šipka s PVT metodom kao primjer, stopa rasta je oko 0,2-0,4 mm/h, 7 dana da raste manje od 3-6 cm, stopa rasta je manja od 1% silicijumskog materijala, proizvodni kapacitet je izuzetno ograničeno.
Visoki parametri proizvoda i nizak prinos: osnovni parametri SiC supstrata uključuju gustinu mikrotubula, gustinu dislokacija, otpornost, savijanje, hrapavost površine, itd. To je složen sistemski inženjering za raspoređivanje atoma u zatvorenoj visokotemperaturnoj komori i potpuni rast kristala, dok kontrolira indekse parametara.
Materijal ima veliku tvrdoću, visoku lomljivost, dugo vrijeme rezanja i veliko habanje: SiC Mohs tvrdoća od 9,25 je na drugom mjestu nakon dijamanta, što dovodi do značajnog povećanja težine rezanja, brušenja i poliranja, a potrebno je oko 120 sati da se izrezati 35-40 komada ingota debljine 3 cm.Osim toga, zbog visoke krhkosti SiC-a, habanje pri obradi pločice će biti veće, a omjer izlaza je samo oko 60%.
Trend razvoja: povećanje veličine + smanjenje cijene
Globalno tržište SiC-a 6-inčna proizvodna linija sazrijeva, a vodeće kompanije su ušle na 8-inčno tržište.Domaći razvojni projekti su uglavnom 6 inča.Trenutno, iako je većina domaćih kompanija još uvijek zasnovana na 4-inčnim proizvodnim linijama, ali industrija se postupno širi na 6-inčne, sa zrelošću 6-inčne tehnologije prateće opreme, domaća tehnologija SiC supstrata također postepeno poboljšava ekonomiju Odrazit će se obim proizvodnih linija velikih dimenzija, a trenutni vremenski jaz domaće proizvodnje od 6 inča za masovnu proizvodnju smanjio se na 7 godina.Veća veličina pločice može dovesti do povećanja broja pojedinačnih čipova, poboljšanja stope prinosa i smanjenja udjela rubnih čipova, a trošak istraživanja i razvoja i gubitak prinosa će se održati na oko 7%, čime će se poboljšati vafla korišćenje.
Još uvijek postoje mnoge poteškoće u dizajnu uređaja
Komercijalizacija SiC dioda se postupno poboljšava, trenutno je veliki broj domaćih proizvođača dizajnirao SiC SBD proizvode, srednje i visokonaponski SiC SBD proizvodi imaju dobru stabilnost, u vozilu OBC, upotreba SiC SBD+SI IGBT za postizanje stabilne gustina struje.Trenutno ne postoje barijere u dizajnu patenta SiC SBD proizvoda u Kini, a jaz sa stranim zemljama je mali.
SiC MOS još uvijek ima mnogo poteškoća, još uvijek postoji jaz između SiC MOS-a i inozemnih 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 i isporučili sa mnogim proizvodnim industrijama, dok je trenutni domaći SiC MOS dizajn u osnovi završen, brojni proizvođači dizajna rade sa fabrikama u faza toka wafer-a i kasnija provjera korisnika još uvijek treba neko vrijeme, tako da je još dosta vremena od velike komercijalizacije.
Trenutno je planarna struktura glavni izbor, a tip rovova se široko koristi u oblasti visokog pritiska u budućnosti.Planarna struktura Proizvođači SiC MOS-a su mnogi, planarna struktura nije lako proizvesti lokalne probleme s kvarom u poređenju sa žljebom, što utiče na stabilnost rada, na tržištu ispod 1200V ima širok raspon primjene, a ravna struktura je relativno jednostavan u proizvodnji, kako bi se zadovoljila dva aspekta proizvodnosti i kontrole troškova.Groove uređaj ima prednosti izuzetno niske parazitske induktivnosti, velike brzine prebacivanja, malih gubitaka i relativno visokih performansi.
2--Novosti o SiC pločicama
Tržišna proizvodnja i rast prodaje silicijum karbida, obratite pažnju na strukturnu neravnotežu između ponude i potražnje
S brzim rastom potražnje tržišta za visokofrekventnom elektronikom i elektronikom velike snage, fizičko granično usko grlo poluvodičkih uređaja baziranih na silicijumu postupno je postalo istaknuto, a poluvodički materijali treće generacije predstavljeni silicijum karbidom (SiC) postepeno su postali istaknuti. postati industrijalizovani.Sa stanovišta performansi materijala, silicijum karbid ima 3 puta veću širinu pojasa od silicijum materijala, 10 puta veću jačinu električnog polja kritičnog propada, 3 puta veću toplotnu provodljivost, tako da su uređaji za napajanje od silicijum karbida pogodni za visoke frekvencije, visoki pritisak, visoke temperature i druge aplikacije, pomažu u poboljšanju efikasnosti i gustine snage energetskih elektronskih sistema.
Trenutno su SiC diode i SiC MOSFET-ovi postupno prešli na tržište, a postoje i zreliji proizvodi, među kojima se SiC diode naširoko koriste umjesto dioda na bazi silicija u nekim područjima jer nemaju prednost povratnog punjenja;SiC MOSFET se takođe postepeno koristi u automobilskoj industriji, skladištenju energije, punjačima, fotonaponskim i drugim poljima;U području primjene u automobilskoj industriji, trend modularizacije postaje sve izraženiji, superiorne performanse SiC-a moraju se oslanjati na napredne procese pakiranja kako bi se postigla, tehnički s relativno zrelim zatvaranjem školjke kao mainstreamom, budućnost ili razvoj plastičnih brtvila , njegove prilagođene razvojne karakteristike su pogodnije za SiC module.
Cijena silicijum karbida pada brzinom ili izvan mašte
Primjena silicijum karbidnih uređaja uglavnom je ograničena visokim troškovima, cijena SiC MOSFET-a ispod istog nivoa je 4 puta veća od cijene IGBT baziranog na Si, to je zato što je proces silicijum karbida složen, u kojem raste monokristalni i epitaksijalni ne samo da su štetni za okolinu, već je i brzina rasta spora, a prerada monokristala u podlogu mora proći kroz proces rezanja i poliranja.Na osnovu sopstvenih karakteristika materijala i nezrele tehnologije obrade, prinos domaće podloge je manji od 50%, a različiti faktori dovode do visokih cena supstrata i epitaksija.
Međutim, sastav troškova uređaja od silicijum karbida i uređaja na bazi silicijuma je dijametralno suprotan, troškovi supstrata i epitaksije prednjeg kanala čine 47% odnosno 23% celokupnog uređaja, ukupno oko 70%, dizajn uređaja, proizvodnja i zaptivne veze zadnjeg kanala čine samo 30%, troškovi proizvodnje uređaja na bazi silicijuma su uglavnom koncentrisani u proizvodnji pločica zadnjeg kanala oko 50%, a troškovi podloge čine samo 7%.Fenomen vrijednosti lanca industrije silicijum karbida naopako znači da proizvođači epitaksije supstrata uzvodno imaju suštinsko pravo da govore, što je ključ za raspored domaćih i stranih preduzeća.
Sa dinamičke tačke gledišta na tržištu, smanjenje troškova silicijum karbida, pored poboljšanja dugog kristala silicijum karbida i procesa rezanja, je proširenje veličine pločice, što je takođe zreli put razvoja poluprovodnika u prošlosti, Wolfspeed podaci pokazuju da se nadogradnja podloge od silicijum karbida sa 6 inča na 8 inča, proizvodnja kvalifikovanog čipa može povećati za 80%-90% i pomoći u poboljšanju prinosa.Može smanjiti kombinovani jedinični trošak za 50%.
2023. je poznata kao "8-inčni SiC prva godina", ove godine domaći i strani proizvođači silicijum karbida ubrzavaju izgled 8-inčnog silicijum karbida, kao što je Wolfspeed luda investicija od 14,55 milijardi američkih dolara za proširenje proizvodnje silicijum karbida, čiji je važan dio izgradnja 8-inčnog postrojenja za proizvodnju SiC supstrata, kako bi se osigurala buduća nabavka 200 mm SiC golog metala za niz kompanija;Domaće kompanije Tianyue Advanced i Tianke Heda takođe su potpisale dugoročne ugovore sa Infineonom za isporuku 8-inčnih podloga od silicijum karbida u budućnosti.
Počevši od ove godine, silicijum karbid će se ubrzati sa 6 inča na 8 inča, Wolfspeed očekuje da će do 2024. godine jedinični trošak čipa supstrata od 8 inča u poređenju sa jediničnim troškovima čipa supstrata od 6 inča u 2022. biti smanjen za više od 60% , a pad troškova dodatno će otvoriti tržište aplikacija, ističu podaci istraživanja Ji Bond Consultinga.Trenutni tržišni udio 8-inčnih proizvoda je manji od 2%, a očekuje se da će tržišni udio porasti na oko 15% do 2026. godine.
U stvari, stopa pada cijene podloge od silicijum karbida može premašiti maštu mnogih ljudi, trenutna tržišna ponuda 6-inčnog supstrata je 4000-5000 juana po komadu, u poređenju s početkom godine je mnogo pala, je Očekuje se da će sljedeće godine pasti ispod 4000 juana, vrijedno je napomenuti da su neki proizvođači, kako bi dobili prvo tržište, smanjili prodajnu cijenu na liniju troškova ispod, otvorili model cjenovnog rata, uglavnom koncentriran na supstratu od silicijum karbida ponuda je bila relativno dovoljna u polju niskog napona, domaći i strani proizvođači agresivno proširuju proizvodne kapacitete, ili dopuštaju da supstrat od silicijum karbida dođe u fazu preopterećenja ranije nego što je zamišljeno.
Vrijeme objave: Jan-19-2024