Вовед во силициум карбид
Силициум карбид (SiC) е сложен полупроводнички материјал составен од јаглерод и силициум, кој е еден од идеалните материјали за производство на уреди со висока температура, висока фреквенција, висока моќност и висок напон. Во споредба со традиционалниот силициумски материјал (Si), енергетскиот јаз на силициум карбидот е 3 пати поголем од оној на силициумот. Топлинската спроводливост е 4-5 пати поголема од онаа на силициумот; Напонот на распаѓање е 8-10 пати поголем од оној на силициумот; Стапката на електронско заситување е 2-3 пати поголема од онаа на силициумот, што ги задоволува потребите на модерната индустрија за висока моќност, висок напон и висока фреквенција. Главно се користи за производство на високобрзински, високофреквентни, високомоќни и светло-емитувачки електронски компоненти. Полето на примена во низводниот тек вклучува паметни мрежи, возила со нова енергија, фотоволтаична ветерна енергија, 5G комуникација итн. Силициум карбидните диоди и MOSFET-ите се комерцијално применети.
Отпорност на високи температури. Ширината на енергетскиот јаз на силициум карбидот е 2-3 пати поголема од онаа на силициумот, електроните не се лесни за премин на високи температури и можат да издржат повисоки работни температури, а топлинската спроводливост на силициум карбидот е 4-5 пати поголема од онаа на силициумот, што го олеснува одведувањето на топлината на уредот, а граничната работна температура е повисока. Отпорноста на високи температури може значително да ја зголеми густината на моќност, а воедно да ги намали барањата на системот за ладење, правејќи го терминалот полесен и помал.
Издржува висок притисок. Јачината на распаѓање на електричното поле на силициум карбидот е 10 пати поголема од онаа на силициумот, кој може да издржи повисоки напони и е посоодветен за високонапонски уреди.
Отпорност на висока фреквенција. Силициум карбидот има стапка на заситено електронско отстапување двојно поголема од силициумот, што резултира со отсуство на намалување на струјата за време на процесот на исклучување, што може ефикасно да ја подобри фреквенцијата на префрлување на уредот и да ја реализира минијатуризацијата на уредот.
Мала загуба на енергија. Во споредба со силициумскиот материјал, силициум карбидот има многу низок отпор на вклучување и ниски загуби на енергија. Во исто време, големата ширина на енергетскиот јаз на силициум карбидот значително ја намалува струјата на истекување и загубата на енергија. Покрај тоа, уредот од силициум карбид нема феномен на заостанување на струјата за време на процесот на исклучување, а загубата на енергија при префрлување е мала.
Индустриски синџир за силициум карбид
Главно вклучува подлога, епитаксија, дизајн на уред, производство, запечатување и така натаму. Силициум карбидот од материјалот до полупроводничкиот енергетски уред ќе доживее раст на монокристал, сечење на инготи, епитаксијален раст, дизајн на плочка, производство, пакување и други процеси. По синтезата на силициум карбиден прав, прво се прави силициум карбидната плочка, а потоа силициум карбидната подлога се добива со сечење, брусење и полирање, а епитаксијалната плоча се добива со епитаксијален раст. Епитаксијалната плочка се прави од силициум карбид преку литографија, бакроење, јонска имплантација, пасивација на метал и други процеси, плочката се сече во калап, уредот се пакува, а уредот се комбинира во посебна обвивка и се склопува во модул.
Надводно од индустрискиот синџир 1: растот на подлогата - кристалот е основната процесна врска
Подлогата од силициум карбид сочинува околу 47% од цената на уредите од силициум карбид, највисоките производствени технички бариери, најголемата вредност, е јадрото на идната индустријализација на SiC во големи размери.
Од перспектива на разликите во електрохемиските својства, материјалите за супстрати од силициум карбид можат да се поделат на спроводливи супстрати (област на отпорност 15~30mΩ·cm) и полуизолирани супстрати (отпорност поголема од 105Ω·cm). Овие два вида супстрати се користат за производство на дискретни уреди како што се енергетски уреди и радиофреквентни уреди, соодветно, по епитаксијално растење. Меѓу нив, полуизолираната супстрат од силициум карбид главно се користи во производството на RF уреди од галиум нитрид, фотоелектрични уреди и така натаму. Со одгледување на gan епитаксијален слој на полуизолирана SIC супстрат, се подготвува sic епитаксијалната плоча, која може понатаму да се подготви во HEMT gan изо-нитридни RF уреди. Спроводливата супстрат од силициум карбид главно се користи во производството на енергетски уреди. За разлика од традиционалниот процес на производство на силиконски енергетски уреди, силициум-карбидниот енергетски уред не може директно да се направи на силициум-карбидна подлога, силициум-карбидниот епитаксијален слој треба да се одгледува на спроводливата подлога за да се добие силициум-карбидна епитаксијална плоча, а епитаксијалниот слој се произведува на Шоткиева диода, MOSFET, IGBT и други енергетски уреди.
Правот од силициум карбид беше синтетизиран од прав од јаглерод со висока чистота и прав од силициум со висока чистота, а различни големини на силициум карбидна ингота беа одгледувани под специјално температурно поле, а потоа супстратот од силициум карбид беше произведен преку повеќекратни процеси на обработка. Основниот процес вклучува:
Синтеза на суровина: Силициумскиот прав со висока чистота + тонер се мешаат според формулата, а реакцијата се изведува во реакциона комора под услови на висока температура над 2000°C за да се синтетизираат честички од силициум карбид со специфичен тип на кристал и големина на честичките. Потоа, преку дробење, селектирање, чистење и други процеси, се задоволуваат барањата за суровини од силициум карбид со висока чистота.
Растот на кристалите е основниот процес на производство на супстрати од силициум карбид, кој ги одредува електричните својства на супстратот од силициум карбид. Во моментов, главните методи за раст на кристалите се физички пренос на пареа (PVT), хемиско таложење на пареа на висока температура (HT-CVD) и епитаксија во течна фаза (LPE). Меѓу нив, PVT методот е вообичаен метод за комерцијален раст на супстрати од SiC во моментов, со највисока техничка зрелост и најшироко користен во инженерството.
Подготовката на SiC подлогата е тешка, што доведува до нејзината висока цена.
Контролата на температурното поле е тешка: растот на Si кристалните прачки е потребен само на 1500℃, додека кристалните прачки од SiC треба да се одгледуваат на висока температура над 2000℃, а постојат повеќе од 250 SiC изомери, но главната 4H-SiC монокристална структура за производство на енергетски уреди, ако не е прецизна контрола, ќе добие други кристални структури. Покрај тоа, температурниот градиент во садот ја одредува брзината на пренос на сублимација на SiC и распоредот и начинот на раст на гасовитите атоми на кристалната интерфејс, што влијае на брзината на раст на кристалот и квалитетот на кристалот, па затоа е потребно да се формира систематска технологија за контрола на температурното поле. Во споредба со Si материјалите, разликата во производството на SiC е исто така во процесите на висока температура, како што се имплантација на јони на висока температура, оксидација на висока температура, активирање на висока температура и процесот на тврда маска потребен за овие процеси на висока температура.
Бавен раст на кристалите: стапката на раст на Si кристалната прачка може да достигне 30 ~ 150 mm/h, а производството на силиконска кристална прачка од 1-3 m трае само околу 1 ден; SiC кристалната прачка со PVT метод како пример, стапката на раст е околу 0,2-0,4 mm/h, 7 дена за да расте помалку од 3-6 cm, стапката на раст е помала од 1% од силиконскиот материјал, производствениот капацитет е исклучително ограничен.
Високи параметри на производот и низок принос: основните параметри на SiC подлогата вклучуваат густина на микротубулите, густина на дислокации, отпорност, искривување, површинска грубост итн. Тоа е комплексен системски инженеринг за распоредување на атомите во затворена комора со висока температура и комплетен раст на кристалите, додека се контролираат индексите на параметрите.
Материјалот има висока тврдост, висока кршливост, долго време на сечење и големо абење: тврдоста на SiC Mohs од 9,25 е втора по големина веднаш по дијамантот, што доведува до значително зголемување на тежината на сечење, брусење и полирање, а потребни се приближно 120 часа за да се сечат 35-40 парчиња ингот со дебелина од 3 см. Покрај тоа, поради високата кршливост на SiC, абењето при обработка на плочки ќе биде поголемо, а соодносот на излез е само околу 60%.
Тренд на развој: Зголемување на големината + намалување на цената
Глобалниот пазар на SiC производствена линија од 6 инчи созрева, а водечките компании влегоа на пазарот од 8 инчи. Домашните развојни проекти се главно од 6 инчи. Во моментов, иако повеќето домашни компании сè уште се базираат на производствени линии од 4 инчи, индустријата постепено се шири на 6 инчи, со зрелоста на технологијата за опрема за поддршка од 6 инчи, домашната технологија на SiC супстрат исто така постепено ги подобрува економиите на обем на производствените линии со голема големина, а моменталниот временски јаз во масовното производство на 6 инчи во домашното производство се намали на 7 години. Поголемата големина на плочките може да доведе до зголемување на бројот на единечни чипови, подобрување на стапката на принос и намалување на процентот на чипови на рабовите, а трошоците за истражување и развој и загубата на принос ќе се одржат на околу 7%, со што ќе се подобри искористеноста на плочките.
Сè уште има многу тешкотии во дизајнот на уредот
Комерцијализацијата на SiC диодите постепено се подобрува, во моментов, голем број домашни производители дизајнираа SiC SBD производи, производите SiC SBD со среден и висок напон имаат добра стабилност, во OBC на возилата, употребата на SiC SBD + SI IGBT за да се постигне стабилна густина на струја. Во моментов, нема бариери во патентниот дизајн на SiC SBD производи во Кина, а јазот со странските земји е мал.
SiC MOS сè уште има многу тешкотии, сè уште постои јаз помеѓу SiC MOS и странските производители, а соодветната производствена платформа е сè уште во изградба. Во моментов, ST, Infineon, Rohm и други 600-1700V SiC MOS имаат постигнато масовно производство и се потпишани и испорачани со многу производствени индустрии, додека сегашниот домашен дизајн на SiC MOS е во основа завршен, голем број производители на дизајни работат со фабрики во фаза на проток на плочка, а за подоцнежна верификација на клиентите сè уште е потребно некое време, така што сè уште има долго време од комерцијализација во голем обем.
Во моментов, рамната структура е мејнстрим избор, а типот на ров е широко користен во полето под висок притисок во иднина. Постојат многу производители на рамна структура SiC MOS, рамната структура не е лесна за создавање локални проблеми со дефект во споредба со жлебот, што влијае на стабилноста на работата, на пазарот под 1200V има широк опсег на примена, а рамната структура е релативно едноставна во производството, за да ги задоволи двата аспекта на производство и контрола на трошоците. Уредот со жлеб има предности како што се екстремно ниска паразитска индуктивност, голема брзина на префрлување, мали загуби и релативно високи перформанси.
2--Вести за SiC плочки
Производството и растот на продажбата на пазарот на силициум карбид, обрнете внимание на структурната нерамнотежа помеѓу понудата и побарувачката
Со брзиот раст на побарувачката на пазарот за високофреквентна и високомоќна енергетска електроника, физичкото ограничување на тесното грло на полупроводничките уреди базирани на силициум постепено стана истакнато, а полупроводничките материјали од трета генерација претставени со силициум карбид (SiC) постепено станаа индустријализирани. Од гледна точка на перформансите на материјалот, силициум карбидот има 3 пати поголема ширина на енергетскиот јаз од силициумскиот материјал, 10 пати поголема јачина на критичното распаѓање на електричното поле и 3 пати поголема топлинска спроводливост, па затоа силициум карбидните енергетски уреди се погодни за апликации со висока фреквенција, висок притисок, висока температура и други апликации, помагајќи да се подобри ефикасноста и густината на моќност на енергетските електронски системи.
Во моментов, SiC диодите и SiC MOSFET-ите постепено се појавуваат на пазарот, а постојат и позрели производи, меѓу кои SiC диодите се широко користени наместо диоди базирани на силициум во некои области бидејќи немаат предност на обратно обновување на полнењето; SiC MOSFET-от постепено се користи и во автомобилската индустрија, складирањето на енергија, полнењето, фотоволтаиците и други области; Во областа на автомобилските апликации, трендот на модуларизација станува сè поизразен, супериорните перформанси на SiC треба да се потпираат на напредни процеси на пакување за да се постигне, технички со релативно зрело запечатување на обвивката како мејнстрим, иднината или развојот на пластично запечатување, неговите прилагодени карактеристики на развој се посоодветни за SiC модулите.
Брзина на пад на цената на силициум карбид или надвор од замислата
Примената на силициум карбидни уреди е главно ограничена од високата цена, цената на SiC MOSFET под исто ниво е 4 пати повисока од онаа на Si-базираниот IGBT, ова е затоа што процесот на силициум карбид е сложен, во кој растот на монокристалот и епитаксијалот не само што е штетен за животната средина, туку и стапката на раст е бавна, а обработката на монокристалот во подлогата мора да помине низ процесот на сечење и полирање. Врз основа на сопствените карактеристики на материјалот и незрелата технологија на обработка, приносот на домашната подлога е помал од 50%, а разни фактори доведуваат до високи цени на подлогата и епитаксијалот.
Сепак, составот на трошоците за уреди од силициум карбид и уреди базирани на силициум е дијаметрално спротивен, трошоците за подлогата и епитаксијата на предниот канал учествуваат со 47% и 23% од целиот уред, соодветно, вкупно околу 70%, дизајнот на уредот, производството и запечатувањето на задниот канал учествуваат само со 30%, трошоците за производство на уреди базирани на силициум се главно концентрирани во производството на плочки на задниот канал околу 50%, а трошоците за подлогата учествуваат само со 7%. Феноменот на вредноста на индустрискиот синџир на силициум карбид наопаку значи дека производителите на епитаксија на подлогата нагоре имаат основно право да зборуваат, што е клучот за распоредот на домашните и странските претпријатија.
Од динамична гледна точка на пазарот, намалувањето на цената на силициум карбид, покрај подобрувањето на долгите кристали на силициум карбид и процесот на сечење, е и проширување на големината на плочката, што е исто така зрел пат во развојот на полупроводниците во минатото. Податоците од Wolfspeed покажуваат дека надградбата на супстратот од силициум карбид од 6 инчи на 8 инчи, производството на квалификувани чипови може да се зголеми за 80%-90% и да помогне во подобрувањето на приносот. Може да ја намали комбинираната единечна цена за 50%.
2023 година е позната како „прва година од 8-инчен SiC“, оваа година, домашните и странските производители на силициум карбид го забрзуваат распоредот на 8-инчните силициум карбидни плочи, како што е лудата инвестиција на Wolfspeed од 14,55 милијарди американски долари за проширување на производството на силициум карбид, од која важен дел е изградбата на фабрика за производство на 8-инчни SiC подлоги. За да се обезбеди идното снабдување со 200 mm SiC голи метали за голем број компании; Domestic Tianyue Advanced и Tianke Heda, исто така, потпишаа долгорочни договори со Infineon за снабдување со 8-инчни силициум карбидни подлоги во иднина.
Почнувајќи од оваа година, силициум карбидот ќе се забрза од 6 инчи на 8 инчи, Wolfspeed очекува дека до 2024 година, цената на единечниот чип на подлога од 8 инчи во споредба со цената на единечниот чип на подлога од 6 инчи во 2022 година ќе се намали за повеќе од 60%, а намалувањето на трошоците дополнително ќе го отвори пазарот на апликации, посочуваат податоците од истражувањето на Ji Bond Consulting. Моменталниот пазарен удел на производи од 8 инчи е помал од 2%, а се очекува пазарниот удел да порасне на околу 15% до 2026 година.
Всушност, стапката на опаѓање на цената на силициум карбидната подлога може да ја надмине имагинацијата на многу луѓе, моменталната пазарна понуда на 6-инчна подлога е 4000-5000 јуани/парче, во споредба со почетокот на годината е многу намалена, се очекува да падне под 4000 јуани следната година, вреди да се напомене дека некои производители, со цел да го освојат првиот пазар, ја намалија продажната цена на линијата на трошок подолу. Отворен е моделот на ценовна војна, главно концентриран на снабдувањето со силициум карбидна подлога, кое е релативно доволно во нисконапонската област, домашните и странските производители агресивно го прошируваат производствениот капацитет, или дозволуваат фазата на презаситеност со силициум карбидна подлога да дојде порано од замисленото.
Време на објавување: 19 јануари 2024 година