Въведение в силициевия карбид
Силициевият карбид (SiC) е съставен полупроводников материал, съставен от въглерод и силиций, който е един от идеалните материали за производство на устройства с висока температура, висока честота, висока мощност и високо напрежение. В сравнение с традиционния силициев материал (Si), забранената лента на силициевия карбид е 3 пъти по-голяма от тази на силиция. Топлопроводимостта е 4-5 пъти по-голяма от тази на силиция; Пробивното напрежение е 8-10 пъти по-голямо от това на силиция; Електронната скорост на дрейф на насищане е 2-3 пъти по-голяма от тази на силиция, което отговаря на нуждите на съвременната индустрия за висока мощност, високо напрежение и висока честота. Използва се главно за производството на високоскоростни, високочестотни, високомощни и светлоизлъчващи електронни компоненти. Полетата на приложение надолу по веригата включват интелигентна мрежа, нови енергийни превозни средства, фотоволтаична вятърна енергия, 5G комуникация и т.н. Диодите от силициев карбид и MOSFET са приложени в търговската мрежа.
Устойчивост на висока температура. Ширината на забранената лента на силициевия карбид е 2-3 пъти по-голяма от тази на силиция, електроните не преминават лесно при високи температури и могат да издържат на по-високи работни температури, а топлопроводимостта на силициевия карбид е 4-5 пъти по-голяма от тази на силиция, което прави разсейването на топлината по-лесно от устройството и по-висока граничната работна температура. Устойчивостта на висока температура може значително да увеличи плътността на мощността, като същевременно намали изискванията към охладителната система, правейки терминала по-лек и по-малък.
Издържат на високо налягане. Силата на пробивното електрическо поле на силициевия карбид е 10 пъти по-голяма от тази на силиция, който може да издържи на по-високи напрежения и е по-подходящ за устройства с високо напрежение.
Високочестотно съпротивление. Силициевият карбид има наситена скорост на дрейф на електрони, два пъти по-голяма от тази на силиция, което води до липса на ток на опашка по време на процеса на изключване, което може ефективно да подобри честотата на превключване на устройството и да реализира миниатюризацията на устройството.
Ниска загуба на енергия. В сравнение със силициевия материал, силициевият карбид има много ниско съпротивление при включване и ниски загуби при включване. В същото време голямата ширина на забранената лента на силициевия карбид значително намалява тока на утечка и загубата на мощност. В допълнение, устройството от силициев карбид няма феномен на изоставане на тока по време на процеса на изключване и загубата при превключване е ниска.
Индустриална верига от силициев карбид
Това включва главно субстрат, епитаксия, дизайн на устройството, производство, запечатване и т.н. Силициевият карбид от материала до полупроводниковото захранващо устройство ще претърпи растеж на единични кристали, нарязване на слитък, епитаксиален растеж, дизайн на пластини, производство, опаковане и други процеси. След синтеза на прах от силициев карбид първо се прави слитъкът от силициев карбид и след това субстратът от силициев карбид се получава чрез нарязване, шлайфане и полиране, а епитаксиалният лист се получава чрез епитаксиален растеж. Епитаксиалната пластина е изработена от силициев карбид чрез литография, ецване, йонна имплантация, метална пасивация и други процеси, пластината се нарязва на матрица, устройството се опакова и устройството се комбинира в специална обвивка и се сглобява в модул.
Нагоре по веригата на индустрията 1: растежът на субстрат - кристал е основната връзка в процеса
Субстратът от силициев карбид представлява около 47% от цената на устройствата от силициев карбид, най-високите производствени технически бариери, най-голямата стойност, е в основата на бъдещата широкомащабна индустриализация на SiC.
От гледна точка на разликите в електрохимичните свойства, материалите за субстрат от силициев карбид могат да бъдат разделени на проводящи субстрати (област на съпротивление 15~30 mΩ·cm) и полуизолирани субстрати (съпротивление по-високо от 105Ω·cm). Тези два вида субстрати се използват за производство на дискретни устройства като захранващи устройства и радиочестотни устройства съответно след епитаксиален растеж. Сред тях, полуизолираният субстрат от силициев карбид се използва главно в производството на RF устройства от галиев нитрид, фотоелектрически устройства и т.н. Чрез отглеждане на gan епитаксиален слой върху полуизолиран SIC субстрат се подготвя sic епитаксиалната плоча, която може да бъде допълнително подготвена в HEMT gan изо-нитридни RF устройства. Проводимият субстрат от силициев карбид се използва главно в производството на захранващи устройства. За разлика от традиционния процес на производство на силициево захранващо устройство, захранващото устройство от силициев карбид не може да бъде направено директно върху субстрата от силициев карбид, епитаксиалният слой от силициев карбид трябва да се отгледа върху проводящия субстрат, за да се получи епитаксиалният лист от силициев карбид и епитаксиалният слой слой се произвежда върху диода на Шотки, MOSFET, IGBT и други захранващи устройства.
Силициевият карбид на прах беше синтезиран от въглероден прах с висока чистота и силициев прах с висока чистота и различни размери на слитък от силициев карбид бяха отгледани при специално температурно поле и след това субстратът от силициев карбид беше произведен чрез множество процеси на обработка. Основният процес включва:
Синтез на суровини: Силициевият прах с висока чистота + тонерът се смесват съгласно формулата и реакцията се провежда в реакционната камера при условия на висока температура над 2000°C, за да се синтезират частиците от силициев карбид със специфичен кристален тип и частица размер. След това чрез раздробяване, пресяване, почистване и други процеси, за да отговарят на изискванията на прахообразните суровини от силициев карбид с висока чистота.
Растежът на кристали е основният процес на производство на субстрат от силициев карбид, който определя електрическите свойства на субстрата от силициев карбид. Понастоящем основните методи за растеж на кристали са физически пренос на пари (PVT), високотемпературно химическо отлагане на пари (HT-CVD) и епитаксия в течна фаза (LPE). Сред тях PVT методът е основният метод за търговски растеж на SiC субстрат в момента, с най-висока техническа зрялост и най-широко използван в инженерството.
Подготовката на SiC субстрат е трудна, което води до високата му цена
Контролът на температурното поле е труден: растежът на SiC кристална пръчка се нуждае само от 1500 ℃, докато SiC кристалната пръчка трябва да се отглежда при висока температура над 2000 ℃ и има повече от 250 SiC изомери, но основната монокристална структура 4H-SiC за производството на силови устройства, ако не прецизен контрол, ще получи други кристални структури. В допълнение, температурният градиент в тигела определя скоростта на сублимационен трансфер на SiC и подреждането и режима на растеж на газообразните атоми върху кристалната повърхност, което влияе върху скоростта на растеж на кристала и качеството на кристала, така че е необходимо да се формира систематично температурно поле контролна технология. В сравнение със Si материалите, разликата в производството на SiC е и във високотемпературни процеси, като високотемпературно йонно имплантиране, високотемпературно окисление, високотемпературно активиране и процеса на твърда маска, изискван от тези високотемпературни процеси.
Бавен растеж на кристали: скоростта на растеж на Si кристален прът може да достигне 30 ~ 150 mm/h, а производството на 1-3 m силициев кристален прът отнема само около 1 ден; SiC кристален прът с PVT метод като пример, скоростта на растеж е около 0,2-0,4 mm/h, 7 дни за растеж по-малко от 3-6 cm, скоростта на растеж е по-малко от 1% от силициевия материал, производственият капацитет е изключително ограничено.
Високи продуктови параметри и нисък добив: основните параметри на SiC субстрата включват микротубулна плътност, дислокационна плътност, съпротивление, деформация, грапавост на повърхността и т.н. Това е сложна система за подреждане на атоми в затворена високотемпературна камера и пълно израстване на кристали, докато контролирате индексите на параметрите.
Материалът има висока твърдост, висока крехкост, дълго време за рязане и силно износване: твърдостта на SiC по Моос от 9,25 е на второ място след диаманта, което води до значително увеличаване на трудността при рязане, шлайфане и полиране и отнема приблизително 120 часа изрежете 35-40 парчета от слитък с дебелина 3 см. В допълнение, поради високата крехкост на SiC, износването при обработката на пластини ще бъде повече, а коефициентът на изход е само около 60%.
Тенденция на развитие: Увеличаване на размера + намаляване на цената
Глобалният пазар на SiC 6-инчова серийна производствена линия узрява и водещи компании навлязоха на 8-инчовия пазар. Проектите за вътрешно развитие са предимно 6 инча. В момента, въпреки че повечето местни компании все още се основават на 4-инчови производствени линии, но индустрията постепенно се разширява до 6-инчови, със зрелостта на 6-инчовата технология за поддържащо оборудване, местната технология за SiC субстрат също постепенно подобрява икономиите на мащабът на производствените линии с големи размери ще бъде отразен, а текущата разлика във времето за масово производство на 6-инчови домашни модели е стеснена до 7 години. По-големият размер на вафлата може да доведе до увеличаване на броя на единичните чипове, да подобри процента на добив и да намали дела на крайните чипове, а разходите за научноизследователска и развойна дейност и загубата на добив ще се поддържат на около 7%, като по този начин се подобрява вафлата използване.
Все още има много трудности при проектирането на устройството
Комерсиализацията на SiC диод постепенно се подобрява, в момента редица местни производители са проектирали SiC SBD продукти, средно и високо напрежение SiC SBD продукти имат добра стабилност, в автомобила OBC, използването на SiC SBD+SI IGBT за постигане на стабилен плътност на тока. Понастоящем няма бариери в патентния дизайн на SiC SBD продукти в Китай и разликата с чуждите страни е малка.
SiC MOS все още има много трудности, все още има разлика между SiC MOS и задграничните производители и съответната производствена платформа все още е в процес на изграждане. Понастоящем ST, Infineon, Rohm и други 600-1700V SiC MOS са постигнали масово производство и са подписали и доставени с много производствени индустрии, докато настоящият домашен SiC MOS дизайн е основно завършен, редица производители на дизайн работят с фабрики в етапът на потока на вафлите и по-късната проверка на клиента все още се нуждае от известно време, така че все още има много време от широкомащабна комерсиализация.
Понастоящем планарната структура е основният избор, а типът на изкопа се използва широко в полето с високо налягане в бъдеще. Планарна структура Производителите на SiC MOS са много, равнинната структура не е лесна за създаване на локални проблеми с разрушаването в сравнение с жлеба, засягащи стабилността на работата, на пазара под 1200V има широк диапазон от стойност на приложение и равнинната структура е относително прост в производствения край, за да отговори на двата аспекта на технологичността и контрола на разходите. Устройството с канал има предимствата на изключително ниска паразитна индуктивност, бърза скорост на превключване, ниски загуби и относително висока производителност.
2--Новини за пластини от SiC
Пазарното производство на силициев карбид и растежът на продажбите, обърнете внимание на структурния дисбаланс между търсенето и предлагането
С бързото нарастване на пазарното търсене на високочестотна и мощна силова електроника, ограничението на физическото ограничение на базираните на силиций полупроводникови устройства постепенно стана важно и полупроводниковите материали от трето поколение, представени от силициевия карбид (SiC), постепенно станаха известни станете индустриализирани. От гледна точка на характеристиките на материала, силициевият карбид има 3 пъти по-голяма ширина на забранената лента от силициевия материал, 10 пъти по-голяма критична сила на пробивното електрическо поле, 3 пъти по-голяма топлопроводимост, така че силовите устройства от силициев карбид са подходящи за висока честота, високо налягане, висока температура и други приложения, спомагат за подобряване на ефективността и плътността на мощността на силовите електронни системи.
Понастоящем SiC диодите и SiC MOSFET постепенно се преместиха на пазара и има по-зрели продукти, сред които SiC диодите се използват широко вместо базирани на силиций диоди в някои области, тъй като те нямат предимството на обратен заряд за възстановяване; SiC MOSFET също постепенно се използва в автомобилостроенето, съхранението на енергия, купчината за зареждане, фотоволтаиците и други области; В областта на автомобилните приложения тенденцията на модулиране става все по-изявена, превъзходното представяне на SiC трябва да разчита на усъвършенствани процеси на опаковане, за да се постигне, технически със сравнително зряло уплътняване на корпуса като основен поток, бъдещето или развитието на пластмасовото уплътнение , неговите персонализирани характеристики на развитие са по-подходящи за SiC модули.
Спадът на цените на силициевия карбид е бърз или извън въображението
Прилагането на устройства от силициев карбид е ограничено главно от високата цена, цената на SiC MOSFET под същото ниво е 4 пъти по-висока от тази на IGBT на базата на Si, това е така, защото процесът на силициевия карбид е сложен, при който растежът на монокристалът и епитаксиалът са не само сурови за околната среда, но и скоростта на растеж е бавна и обработката на монокристала в субстрата трябва да премине през процеса на рязане и полиране. Въз основа на собствените характеристики на материала и незрялата технология за обработка, добивът на местния субстрат е по-малък от 50%, а различни фактори водят до високи цени на субстрата и епитаксиала.
Въпреки това, съставът на разходите за устройства със силициев карбид и устройства, базирани на силиций, е диаметрално противоположен, разходите за субстрат и епитаксиални разходи на предния канал представляват съответно 47% и 23% от цялото устройство, общо около 70%, дизайнът на устройството, производството и уплътнителните връзки на задния канал представляват само 30%, производствените разходи на устройствата, базирани на силиций, са концентрирани главно в производството на пластини на задния канал около 50%, а разходите за субстрат са само 7%. Феноменът на стойността на индустриалната верига от силициев карбид с главата надолу означава, че производителите на епитаксия на субстрата нагоре по веригата имат основното право да говорят, което е ключът към оформлението на местни и чуждестранни предприятия.
От динамична гледна точка на пазара, намаляването на цената на силициевия карбид, в допълнение към подобряването на дългия кристал на силициевия карбид и процеса на рязане, е да се разшири размерът на вафлата, което също е зрелият път на развитие на полупроводниците в миналото, Данните на Wolfspeed показват, че надграждането на субстрата от силициев карбид от 6 инча на 8 инча, квалифицираното производство на чипове може да се увеличи с 80%-90% и да помогне за подобряване на добива. Може да намали комбинираните единични разходи с 50%.
2023 г. е известна като "първата година на 8-инчов SiC", тази година местни и чуждестранни производители на силициев карбид ускоряват оформлението на 8-инчов силициев карбид, като лудата инвестиция на Wolfspeed от 14,55 милиарда щатски долара за разширяване на производството на силициев карбид, важна част от което е изграждането на завод за производство на 8-инчов SiC субстрат, за да се гарантира бъдещата доставка на 200 mm SiC гол метал за редица компании; Вътрешните Tianyue Advanced и Tianke Heda също подписаха дългосрочни споразумения с Infineon за доставка на 8-инчови субстрати от силициев карбид в бъдеще.
Започвайки от тази година, силициевият карбид ще се ускори от 6 инча на 8 инча, Wolfspeed очаква, че до 2024 г. цената на единичния чип за 8-инчов субстрат в сравнение с цената на единичен чип за 6-инчов субстрат през 2022 г. ще бъде намалена с повече от 60% , а спадът на разходите допълнително ще отвори пазара на приложения, посочват данните от изследването на Ji Bond Consulting. Настоящият пазарен дял на 8-инчовите продукти е по-малко от 2%, като се очаква пазарният дял да нарасне до около 15% до 2026 г.
Всъщност скоростта на спад в цената на субстрата от силициев карбид може да надхвърли въображението на много хора, текущото пазарно предложение на 6-инчов субстрат е 4000-5000 юана/парче, в сравнение с началото на годината е паднало много, е Очаква се да падне под 4000 юана през следващата година, заслужава да се отбележи, че някои производители, за да получат първия пазар, са намалили продажната цена до линията на разходите по-долу, Отвори модела на ценовата война, концентриран главно в субстрата от силициев карбид доставката е относително достатъчна в полето с ниско напрежение, местните и чуждестранните производители агресивно разширяват производствения капацитет или оставят субстрата от силициев карбид да достигне етап на свръхпредлагане по-рано от очакваното.
Време на публикуване: 19 януари 2024 г