Вовед во силициум карбид
Силициум карбид (SiC) е сложен полупроводнички материјал составен од јаглерод и силициум, кој е еден од идеалните материјали за изработка на уреди со висока температура, висока фреквенција, висока моќност и висок напон. Во споредба со традиционалниот силиконски материјал (Si), јазот на лентата на силициум карбид е 3 пати поголем од силициумот. Топлинската спроводливост е 4-5 пати поголема од силиконот; Пробивниот напон е 8-10 пати поголем од оној на силициумот; Стапката на поместување на електронската сатурација 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 електронски компоненти со голема брзина, висока фреквенција, висока моќност и светлина. Полињата за примена низводно вклучуваат паметна мрежа, нови енергетски возила, фотоволтаична енергија од ветер, 5G комуникација, итн. Комерцијално се применуваат силициум карбидни диоди и MOSFET.
Отпорност на високи температури. Ширината на јазот на појасот на силициум карбидот е 2-3 пати поголема од силициумот, електроните не се лесни за транзиција на високи температури и можат да издржат повисоки работни температури, а топлинската спроводливост на силициум карбидот е 4-5 пати поголема од силициумот, олеснување на дисипацијата на топлината на уредот и поголема гранична работна температура. Отпорот на висока температура може значително да ја зголеми густината на моќноста додека ги намалува барањата за системот за ладење, правејќи го терминалот полесен и помал.
Издржи висок притисок. Јачината на електричното поле на распаѓање на силициум карбид е 10 пати поголема од силициумот, кој може да издржи повисоки напони и е посоодветен за уреди со висок напон.
Отпорност на висока фреквенција. Силиконскиот карбид има заситена стапка на поместување на електроните двапати поголема од силициумот, што резултира со отсуство на тековната опашка за време на процесот на исклучување, што може ефективно да ја подобри фреквенцијата на префрлување на уредот и да ја реализира минијатуризацијата на уредот.
Ниска загуба на енергија. Во споредба со силициумскиот материјал, силициум карбидот има многу ниска отпорност на приклучување и мала загуба. Во исто време, големата ширина на појасот на силициум карбид во голема мера ја намалува струјата на истекување и загубата на моќност. Покрај тоа, уредот со силициум карбид нема феномен на тековно заостанување за време на процесот на исклучување, а загубата на префрлување е мала.
Синџир на индустрија за силициум карбид
Тоа главно вклучува подлога, епитаксија, дизајн на уреди, производство, запечатување и така натаму. Силиконскиот карбид од материјалот до полупроводничкиот уред за напојување ќе доживее раст на еден кристал, сечење на ингот, епитаксијален раст, дизајнирање нафора, производство, пакување и други процеси. По синтезата на прашокот од силициум карбид, прво се прави ингот од силициум карбид, а потоа со режење, мелење и полирање се добива супстрат од силициум карбид, а со епитаксијален раст се добива епитаксијалниот лист. Епитаксијалната обланда е изработена од силициум карбид преку литографија, офорт, имплантација на јони, метална пасивација и други процеси, нафората се сече во матрица, уредот се пакува, а уредот се комбинира во специјална обвивка и се составува во модул.
Нагоре од синџирот на индустријата 1: подлогата - растот на кристалите е основната алка на процесот
Супстратот од силициум карбид сочинува околу 47% од цената на уредите со силициум карбид, највисоките технички бариери за производство, најголемата вредност, е јадрото на идната голема индустријализација на SiC.
Од гледна точка на разликите во електрохемиските својства, материјалите на подлогата од силициум карбид може да се поделат на спроводливи подлоги (регион на отпорност 15~30mΩ·cm) и полуизолирани подлоги (отпорност поголема од 105Ω·cm). Овие два вида на подлоги се користат за производство на дискретни уреди како што се уреди за напојување и уреди за радиофреквенција, соодветно по епитаксијален раст. Меѓу нив, полуизолираната супстрат од силициум карбид главно се користи во производството на RF уреди со галиум нитрид, фотоелектрични уреди и така натаму. Со одгледување gan епитаксијален слој на полуизолирана SIC подлога, се подготвува sic епитаксијалната плоча, која понатаму може да се подготви во HEMT gan изо-нитрид RF уреди. Проводен силициум карбид супстрат главно се користи во производството на уреди за напојување. За разлика од традиционалниот процес на производство на уреди за напојување со силициум, уредот за напојување со силициум карбид не може директно да се направи на подлогата од силициум карбид, епитаксијалниот слој на силициум карбид треба да се одгледува на спроводливата подлога за да се добие епитаксијален лист од силициум карбид, а епитаксијалниот слој е произведен на Шотки диода, MOSFET, IGBT и друга моќност уреди.
Прашокот од силициум карбид беше синтетизиран од јаглероден прав со висока чистота и силициум во прав со висока чистота, а различни големини на ингот од силициум карбид беа одгледувани под посебно температурно поле, а потоа супстратот од силициум карбид беше произведен преку повеќе процеси на обработка. Основниот процес вклучува:
Синтеза на суровина: Силициумскиот прав + тонер со висока чистота се меша според формулата, а реакцијата се изведува во комората за реакција под услови на висока температура над 2000°C за да се синтетизираат честичките силициум карбид со специфичен тип на кристал и честички големина. Потоа преку дробење, скрининг, чистење и други процеси, за да се исполнат барањата на силициум карбид во прав со висока чистота суровини.
Растот на кристалите е основниот процес на производство на супстрат 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 течна фаза на епитаксијата (LPE). Меѓу нив, PVT методот е мејнстрим метод за комерцијален раст на подлогата на SiC во моментов, со најголема техничка зрелост и најшироко користен во инженерството.
Подготовката на подлогата на SiC е тешка, што доведува до висока цена
Контролата на температурното поле е тешка: На растот на Si кристалните прачки му требаат само 1500℃, додека на SiC кристалната прачка треба да се одгледува на висока температура над 2000℃, и има повеќе од 250 SiC изомери, но главната еднокристална структура 4H-SiC за производството на уреди за напојување, ако не и прецизна контрола, ќе добие други кристални структури. Дополнително, температурниот градиент во садот ја одредува брзината на пренос на сублимација на SiC и распоредот и начинот на раст на гасните атоми на кристалната интерфејс, што влијае на стапката на раст на кристалите и квалитетот на кристалите, па затоа е неопходно да се формира систематско температурно поле технологија за контрола. Во споредба со материјалите на Si, 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 што го бараат овие процеси со висока температура.
Бавен раст на кристалите: стапката на раст на Si кристална прачка може да достигне 30 ~ 150 mm/h, а производството на 1-3m силиконски кристални шипки трае само околу 1 ден; SiC кристална прачка со PVT метод како пример, стапката на раст е околу 0,2-0,4 mm / h, 7 дена да расте помалку од 3-6 cm, стапката на раст е помала од 1% од силициумскиот материјал, производствениот капацитет е исклучително ограничен.
Високи параметри на производот и низок принос: основните параметри на подлогата SiC вклучуваат густина на микротубули, густина на дислокација, отпорност, искривување, грубост на површината итн. Тоа е сложен системски инженеринг за распоредување на атомите во затворена комора со висока температура и целосен раст на кристалите. додека ги контролира параметрите индекси.
Материјалот има висока цврстина, висока кршливост, долго време на сечење и високо абење: Тврдоста на SiC Mohs од 9,25 е само втора по дијамантот, што доведува до значително зголемување на тежината на сечење, мелење и полирање, а потребни се приближно 120 часа за исечете 35-40 парчиња ингот со дебелина од 3 см. Покрај тоа, поради високата кршливост на SiC, абењето за обработка на нафора ќе биде повеќе, а излезниот сооднос е само околу 60%.
Тренд на развој: зголемување на големината + намалување на цената
На глобалниот пазар на SiC производствена линија со волумен од 6 инчи созрева, а водечките компании влегоа на пазарот од 8 инчи. Домашните развојни проекти се главно 6 инчи. Во моментов, иако повеќето домашни компании сè уште се засноваат на производствени линии од 4 инчи, но индустријата постепено се проширува на 6 инчи, со зрелоста на технологијата за опрема за поддршка од 6 инчи, домашната технологија на подлогата на SiC, исто така, постепено ги подобрува економиите на ќе се рефлектира обемот на производствените линии со големи димензии, а сегашниот домашен временски јаз за масовно производство од 6 инчи се намали на 7 години. Поголемата големина на нафора може да доведе до зголемување на бројот на единечни чипови, да ја подобри стапката на принос и да го намали процентот на рабните чипови, а трошоците за истражување и развој и загубата на принос ќе се одржат на околу 7%, а со тоа ќе се подобри нафората искористување.
Сè уште има многу тешкотии во дизајнот на уредот
Комерцијализацијата на SiC диодата постепено се подобрува, во моментов, голем број домашни производители дизајнираа производи SiC SBD, средните и високонапонските производи SiC SBD имаат добра стабилност, во возилото OBC, употребата на SiC SBD + SI IGBT за да се постигне стабилна густина на струјата. Во моментов, нема бариери во дизајнот на патенти на производите SiC SBD 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 сè уште е во изградба. Во моментов, ST, Infineon, Rohm и други 600-1700V SiC MOS постигнаа масовно производство и потпишаа и испорачани со многу производствени индустрии, додека сегашниот домашен дизајн на SiC MOS е во основа завршен, голем број производители на дизајн работат со фабрики во фазата на проток на нафора, а подоцна и за верификацијата на клиентите сè уште треба малку време, така што има уште многу време од големата комерцијализација.
Во моментов, рамнината структура е главен избор, а типот на ровот е широко користен во полето под висок притисок во иднина. Планарна структура Производителите на SiC MOS се многу, рамната структура не е лесна за производство на локални проблеми со дефект во споредба со жлебот, што влијае на стабилноста на работата, на пазарот под 1200V има широк опсег на апликативна вредност, а рамнината структура е релативно едноставно во производството крајот, за да се исполнат manufacturability и контрола на трошоците два аспекти. Уредот за жлеб има предности на екстремно ниска паразитска индуктивност, брза брзина на префрлување, мала загуба и релативно високи перформанси.
2--Вести за нафора за SiC
Силикон карбид на пазарот производство и раст на продажбата, се обрне внимание на структурната нерамнотежа помеѓу понудата и побарувачката
Со брзиот раст на побарувачката на пазарот за електроника со висока фреквенција и висока моќност, физичкото гранично тесно грло на полупроводничките уреди базирани на силикон постепено стана истакнато, а полупроводничките материјали од третата генерација претставени со силициум карбид (SiC) постепено станаа станат индустријализирани. Од гледна точка на перформансите на материјалот, силициум карбидот има 3 пати поголема ширина на јазот на лентата од силициумскиот материјал, 10 пати поголема од јачината на електричното поле на критичното распаѓање, 3 пати поголема од топлинската спроводливост, така што уредите за напојување со силициум карбид се погодни за висока фреквенција, висок притисок, висока температура и други апликации, помагаат да се подобри ефикасноста и густината на моќноста на електронските системи за напојување.
Во моментов, SiC-диодите и SiC MOSFET-овите постепено се префрлија на пазарот, а има и позрели производи, меѓу кои SiC-диодите се широко користени наместо диоди базирани на силикон во некои полиња, бидејќи тие ја немаат предноста на полнење со обратно обновување; SiC MOSFET исто така постепено се користи во автомобилската индустрија, складирањето енергија, купот за полнење, фотоволтаичните и други полиња; 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 постигнат, технички со релативно зрело запечатување на школки како мејнстрим, иднина или развој на пластично запечатување , неговите приспособени развојни карактеристики се посоодветни за SiC модулите.
Брзина на опаѓање на цената на силициум карбид или надвор од имагинацијата
Примената на уредите со силициум карбид е главно ограничена од високата цена, цената на SiC MOSFET под исто ниво е 4 пати повисока од онаа на IGBT базирана на Si, тоа е затоа што процесот на силициум карбид е сложен, во кој растот на еден кристал и епитаксијален не е само суров за животната средина, туку и стапката на раст е бавна, а обработката на еден кристал 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 различни фактори доведуваат до високи цени на подлогата и епитаксијата.
Сепак, составот на трошоците на уредите со силициум карбид и уредите базирани на силикон е дијаметрално спротивен, трошоците за подлогата и епитаксијата на предниот канал сочинуваат соодветно 47% и 23% од целиот уред, вкупно околу 70%, дизајнот на уредот, производството и запечатувачките врски на задниот канал сочинуваат само 30%, трошоците за производство на уредите базирани на силикон главно се концентрирани во нафората производството на задниот канал е околу 50%, а цената на подлогата изнесува само 7%. Феноменот на вредноста на синџирот на индустријата за силициум карбид наопаку значи дека производителите на епитаксии на подводно го имаат основното 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 процесот на долги кристали и режење силициум карбид, е и проширување на големината на нафора, што е исто така зрелиот пат на развој на полупроводници во минатото, Податоците на Wolfspeed покажуваат дека супстратот од силициум карбид се надградува од 6 инчи на 8 инчи, квалификуваното производство на чипови може да се зголеми за 80%-90%, и помагаат да се подобри приносот. Може да ја намали комбинираната единечна цена за 50%.
2023 година е позната како „8-инчен SiC прва година“, оваа година домашните и странските производители на силициум карбид го забрзуваат распоредот на 8-инчниот силициум карбид, како што е лудата инвестиција на Wolfspeed од 14,55 милијарди американски долари за проширување на производството на силициум карбид, важен дел од кој е изградбата на погон за производство на подлоги од 8 инчи SiC, за да се обезбеди идното снабдување со гол метал од 200 mm SiC на голем број компании; Домашните Tianyue Advanced и Tianke Heda исто така потпишаа долгорочни договори со Infineon за снабдување со 8-инчни силициум карбид супстрати во иднина.
Почнувајќи од оваа година, силициум карбид ќе се забрза од 6 инчи на 8 инчи, Wolfspeed очекува дека до 2024 година, цената на единица чип од 8 инчи супстрат во споредба со единечната цена на чип од 6 инчи супстрат во 2022 година ќе се намали за повеќе од 60% , а падот на трошоците дополнително ќе го отвори пазарот на апликации, истакнаа податоците од истражувањето на Ji Bond Consulting. Сегашниот пазарен удел на производите од 8 инчи е помал од 2%, а уделот на пазарот се очекува да порасне на околу 15% до 2026 година.
Всушност, стапката на пад на цената на супстратот од силициум карбид може да ја надмине имагинацијата на многу луѓе, сегашната пазарна понуда на супстрат од 6 инчи е 4000-5000 јуани/парче, во споредба со почетокот на годината е многу намалена, е се очекува да падне под 4000 јуани следната година, вреди да се напомене дека некои производители со цел да го добијат првиот пазар, ја намалија продажната цена на линијата на трошоци подолу, Отворен моделот на ценовната војна, главно концентриран во снабдувањето со супстрат од силициум карбид е релативно доволно во полето со низок напон, домашните и странските производители агресивно го прошируваат производствениот капацитет или дозволуваат пренапојување на супстратот од силициум карбид порано од замисленото .
Време на објавување: Јан-19-2024 година