Uvod v silicijev karbid
Silicijev karbid (SiC) je sestavljen polprevodniški material, sestavljen iz ogljika in silicija, ki je eden od idealnih materialov za izdelavo visokotemperaturnih, visokofrekvenčnih, močnih in visokonapetostnih naprav.V primerjavi s tradicionalnim silicijevim materialom (Si) je pasovna vrzel silicijevega karbida 3-krat večja od silicija.Toplotna prevodnost je 4-5-krat večja od silicija;Razgradna napetost je 8-10-krat večja od silicija;Elektronska stopnja zasičenosti je 2-3-krat večja od silicija, kar ustreza potrebam sodobne industrije po visoki moči, visoki napetosti in visoki frekvenci.Uporablja se predvsem za proizvodnjo hitrih, visokofrekvenčnih, močnih in svetlobnih elektronskih komponent.Nadaljnja področja uporabe vključujejo pametna omrežja, nova energetska vozila, fotovoltaično vetrno energijo, komunikacijo 5G itd. Silicijeve karbidne diode in MOSFET-ji so bili komercialno uporabljeni.
Odpornost na visoke temperature.Širina pasovne vrzeli silicijevega karbida je 2-3-krat večja od silicija, elektronov ni enostavno prehajati pri visokih temperaturah in lahko prenesejo višje delovne temperature, toplotna prevodnost silicijevega karbida pa je 4-5-krat večja od silicija, olajša odvajanje toplote naprave in višjo mejno delovno temperaturo.Odpornost na visoke temperature lahko znatno poveča gostoto moči, hkrati pa zmanjša zahteve za hladilni sistem, zaradi česar je terminal lažji in manjši.
Vzdrži visok pritisk.Električna poljska jakost silicijevega karbida je 10-krat večja od silicija, ki lahko prenese višje napetosti in je primernejši za visokonapetostne naprave.
Visokofrekvenčna odpornost.Silicijev karbid ima dvakrat večjo hitrost drifta nasičenih elektronov kot silicij, kar ima za posledico odsotnost tokovnega repa med postopkom zaustavitve, kar lahko učinkovito izboljša preklopno frekvenco naprave in uresniči miniaturizacijo naprave.
Nizke izgube energije.V primerjavi s silicijevim materialom ima silicijev karbid zelo nizek upor pri vklopu in nizke izgube pri vklopu.Hkrati velika širina pasovne vrzeli silicijevega karbida močno zmanjša uhajajoči tok in izgubo moči.Poleg tega naprava iz silicijevega karbida nima pojava zaostanka toka med postopkom izklopa in izguba preklapljanja je nizka.
Industrijska veriga silicijevega karbida
V glavnem vključuje substrat, epitaksijo, načrtovanje naprave, proizvodnjo, tesnjenje itd.Silicijev karbid od materiala do polprevodniške napajalne naprave bo doživel rast posameznega kristala, rezanje ingota, epitaksialno rast, oblikovanje rezin, proizvodnjo, pakiranje in druge postopke.Po sintezi prahu silicijevega karbida se najprej izdela ingot silicijevega karbida, nato se substrat iz silicijevega karbida pridobi z rezanjem, brušenjem in poliranjem, epitaksialna plošča pa se pridobi z epitaksialno rastjo.Epitaksialna rezina je narejena iz silicijevega karbida z litografijo, jedkanjem, ionsko implantacijo, kovinsko pasivacijo in drugimi postopki, rezina je razrezana v matrico, naprava je zapakirana in naprava je združena v posebno lupino in sestavljena v modul.
Navzgor v industrijski verigi 1: substrat – rast kristalov je osrednji procesni člen
Substrat iz silicijevega karbida predstavlja približno 47 % stroškov naprav iz silicijevega karbida, najvišje proizvodne tehnične ovire, največja vrednost, je jedro prihodnje obsežne industrializacije SiC.
Z vidika razlik v elektrokemičnih lastnostih lahko substratne materiale iz silicijevega karbida razdelimo na prevodne substrate (območje upornosti 15~30 mΩ·cm) in polizolirane substrate (upornost višja od 105Ω·cm).Ti dve vrsti substratov se uporabljata za izdelavo diskretnih naprav, kot so napajalne naprave in radiofrekvenčne naprave po epitaksialni rasti.Med njimi se polizolirani substrat iz silicijevega karbida uporablja predvsem pri izdelavi RF naprav iz galijevega nitrida, fotoelektričnih naprav in tako naprej.Z gojenjem gan epitaksialne plasti na polizolirani substrat SIC se pripravi sic epitaksialna plošča, ki jo je mogoče nadalje pripraviti v HEMT gan izo-nitridne RF naprave.Prevodni substrat iz silicijevega karbida se uporablja predvsem pri izdelavi napajalnih naprav.Za razliko od tradicionalnega postopka izdelave napajalne naprave iz silicijevega karbida napajalne naprave iz silicijevega karbida ni mogoče izdelati neposredno na substratu iz silicijevega karbida, epitaksialno plast iz silicijevega karbida je treba gojiti na prevodnem substratu, da dobimo epitaksialno ploščo iz silicijevega karbida, in epitaksialno plast je izdelana na diodi Schottky, MOSFET, IGBT in drugih močnostnih napravah.
Prah silicijevega karbida je bil sintetiziran iz ogljikovega prahu visoke čistosti in silicijevega prahu visoke čistosti, ingot silicijevega karbida različnih velikosti pa je bil vzgojen pod posebnim temperaturnim poljem, nato pa je bil substrat silicijevega karbida proizveden z več procesi obdelave.Osnovni postopek vključuje:
Sinteza surovine: Silicijev prah visoke čistosti + toner se zmeša po formuli, reakcija pa se izvede v reakcijski komori pri visoki temperaturi nad 2000 °C, da se sintetizirajo delci silicijevega karbida s posebnim kristalnim tipom in delcem. velikost.Nato z drobljenjem, presejanjem, čiščenjem in drugimi postopki za izpolnitev zahtev surovin iz silicijevega karbida v prahu visoke čistosti.
Rast kristalov je osrednji proces izdelave substrata iz silicijevega karbida, ki določa električne lastnosti substrata iz silicijevega karbida.Trenutno so glavne metode za rast kristalov fizični prenos pare (PVT), visokotemperaturno kemično nanašanje pare (HT-CVD) in tekočefazna epitaksija (LPE).Med njimi je metoda PVT trenutno glavna metoda za komercialno rast substrata SiC, z najvišjo tehnično zrelostjo in najpogosteje uporabljena v inženirstvu.
Priprava SiC substrata je težavna, kar vodi do njegove visoke cene
Nadzor temperaturnega polja je težaven: rast kristalne palice Si potrebuje samo 1500 ℃, medtem ko je treba kristalno palico SiC gojiti pri visoki temperaturi nad 2000 ℃ in obstaja več kot 250 izomerov SiC, vendar je glavna monokristalna struktura 4H-SiC za proizvodnja močnostnih naprav, če ne bo natančnega nadzora, bo dobila druge kristalne strukture.Poleg tega temperaturni gradient v lončku določa hitrost sublimacijskega prenosa SiC ter razporeditev in način rasti plinastih atomov na kristalni meji, kar vpliva na hitrost rasti kristalov in kakovost kristalov, zato je treba oblikovati sistematično temperaturno polje nadzorna tehnologija.V primerjavi z materiali Si je razlika v proizvodnji SiC tudi v visokotemperaturnih procesih, kot so visokotemperaturna ionska implantacija, visokotemperaturna oksidacija, visokotemperaturna aktivacija in postopek trde maske, ki ga zahtevajo ti visokotemperaturni procesi.
Počasna rast kristalov: hitrost rasti kristalne palice Si lahko doseže 30 ~ 150 mm/h, proizvodnja 1-3 m silicijeve kristalne palice pa traja le približno 1 dan;SiC kristalna palica z metodo PVT kot primer, hitrost rasti je približno 0,2-0,4 mm / h, 7 dni za rast manj kot 3-6 cm, stopnja rasti je manj kot 1% silicijevega materiala, proizvodna zmogljivost je izjemno omejeno.
Visoki parametri izdelka in nizek izkoristek: glavni parametri substrata SiC vključujejo gostoto mikrotubulov, gostoto dislokacij, upornost, zvijanje, površinsko hrapavost itd. To je kompleksen sistemski inženiring za razporeditev atomov v zaprti visokotemperaturni komori in popolno rast kristalov, medtem ko nadzorujete indekse parametrov.
Material ima visoko trdoto, visoko krhkost, dolg čas rezanja in visoko obrabo: SiC Mohsova trdota 9,25 je takoj za diamantom, kar vodi do znatnega povečanja težav pri rezanju, brušenju in poliranju, traja pa približno 120 ur. izrežite 35-40 kosov 3 cm debelega ingota.Poleg tega bo zaradi visoke krhkosti SiC obraba pri obdelavi rezin večja, izhodno razmerje pa le približno 60%.
Trend razvoja: povečanje velikosti + znižanje cene
Globalni trg SiC 6-palčne proizvodne linije dozoreva in vodilna podjetja so vstopila na 8-palčni trg.Domači razvojni projekti so večinoma 6-palčni.Trenutno večina domačih podjetij še vedno temelji na 4-palčnih proizvodnih linijah, vendar se industrija postopoma širi na 6-palčne, z zrelostjo 6-palčne tehnologije podporne opreme pa tudi domača tehnologija substrata SiC postopoma izboljšuje gospodarstvo obseg proizvodnih linij velikih velikosti se bo odražal, trenutna domača 6-palčna množična časovna vrzel pa se je zmanjšala na 7 let.Večja velikost rezin lahko povzroči povečanje števila posameznih čipov, izboljša stopnjo izkoristka in zmanjša delež robnih čipov, stroški raziskav in razvoja ter izguba izkoristka pa se bodo ohranili na približno 7 %, s čimer se bo izboljšala rezina uporaba.
Še vedno je veliko težav pri načrtovanju naprave
Komercializacija SiC diode se postopoma izboljšuje, trenutno so številni domači proizvajalci oblikovali izdelke SiC SBD, izdelki SiC SBD srednje in visoke napetosti imajo dobro stabilnost, v vozilu OBC, uporaba SiC SBD + SI IGBT za doseganje stabilnega gostota toka.Trenutno ni nobenih ovir pri patentnem oblikovanju izdelkov SiC SBD na Kitajskem, vrzel s tujino pa je majhna.
SiC MOS ima še vedno veliko težav, še vedno obstaja vrzel med SiC MOS in čezmorskimi proizvajalci, ustrezna proizvodna platforma pa je še v izgradnji.Trenutno so ST, Infineon, Rohm in drugi 600-1700 V SiC MOS dosegli množično proizvodnjo ter podpisali in poslali številnim proizvodnim industrijam, medtem ko je trenutna domača zasnova SiC MOS v bistvu dokončana, številni proizvajalci dizajna sodelujejo s tovarnami na faza pretoka rezin in poznejše preverjanje strank potrebuje še nekaj časa, tako da je do obsežne komercializacije še veliko časa.
Trenutno je planarna struktura glavna izbira, vrsta jarka pa se bo v prihodnosti pogosto uporabljala na področju visokega tlaka.Planarna struktura SiC MOS proizvajalcev je veliko, planarna struktura ni enostavna za proizvodnjo lokalnih težav z razčlenitvijo v primerjavi z utorom, ki vpliva na stabilnost dela, na trgu pod 1200V ima široko paleto uporabnih vrednosti in planarna struktura je relativno enostavna na koncu proizvodnje, da bi izpolnila dva vidika izdelave in nadzora stroškov.Naprava z utori ima prednosti izjemno nizke parazitske induktivnosti, hitre preklopne hitrosti, nizke izgube in relativno visoke zmogljivosti.
2--SiC rezine novice
Tržna proizvodnja silicijevega karbida in rast prodaje, bodite pozorni na strukturno neravnovesje med ponudbo in povpraševanjem
S hitro rastjo tržnega povpraševanja po visokofrekvenčni in visokozmogljivi močnostni elektroniki je fizično mejno ozko grlo polprevodniških naprav na osnovi silicija postopoma postalo vidno in polprevodniški materiali tretje generacije, ki jih predstavlja silicijev karbid (SiC), postopoma postali industrializirani.Z vidika učinkovitosti materiala ima silicijev karbid 3-krat večjo širino pasovne vrzeli od silicijevega materiala, 10-kratno kritično prebojno električno poljsko jakost, 3-krat večjo toplotno prevodnost, zato so močnostne naprave iz silicijevega karbida primerne za visoko frekvenco, visok tlak, visoke temperature in druge aplikacije, pomagajo izboljšati učinkovitost in gostoto moči močnostnih elektronskih sistemov.
Trenutno so se diode SiC in MOSFET-ji SiC postopoma preselili na trg in obstajajo bolj zreli izdelki, med katerimi se diode SiC pogosto uporabljajo namesto diod na osnovi silicija na nekaterih področjih, ker nimajo prednosti povratne obnovitve naboja;SiC MOSFET se postopoma uporablja tudi v avtomobilski industriji, shranjevanju energije, polnilnih napravah, fotovoltaiki in drugih področjih;Na področju avtomobilskih aplikacij postaja trend modularizacije vedno bolj izrazit, vrhunska zmogljivost SiC se mora zanašati na napredne postopke pakiranja, da se doseže, tehnično z relativno zrelim tesnjenjem lupine kot glavnim tokom, prihodnost ali razvoj plastičnega tesnjenja , so njegove prilagojene razvojne značilnosti bolj primerne za module SiC.
Cena silicijevega karbida pada s hitrostjo ali preko meje domišljije
Uporaba naprav iz silicijevega karbida je v glavnem omejena z visokimi stroški, cena SiC MOSFET pod isto ravnjo je 4-krat višja od cene IGBT na osnovi Si, to je zato, ker je proces silicijevega karbida zapleten, v katerem rast monokristal in epitaksialno ni samo ostro za okolje, ampak tudi stopnja rasti je počasna, in predelava monokristala v substrat mora iti skozi postopek rezanja in poliranja.Na podlagi lastnih lastnosti materiala in nezrele tehnologije obdelave je izkoristek domačega substrata manjši od 50 %, različni dejavniki pa vodijo do visokih cen substrata in epitaksija.
Vendar pa je stroškovna sestava naprav iz silicijevega karbida in naprav na osnovi silicija diametralno nasprotna, substrat in epitaksialni stroški sprednjega kanala predstavljajo 47 % oziroma 23 % celotne naprave, skupaj približno 70 %, zasnova naprave, proizvodnja in tesnilne povezave zadnjega kanala predstavljajo le 30 %, proizvodni stroški naprav na osnovi silicija so v glavnem koncentrirani v proizvodnji rezin zadnjega kanala približno 50 %, stroški substrata pa le 7 %.Pojav vrednosti industrijske verige silicijevega karbida na glavo pomeni, da imajo proizvajalci epitaksije substratov navzgor glavno pravico do govora, kar je ključnega pomena za postavitev domačih in tujih podjetij.
Z dinamičnega vidika na trgu je zmanjšanje stroškov silicijevega karbida poleg izboljšanja dolgega kristala in postopka rezanja silicijevega karbida povečati velikost rezin, kar je tudi zrela pot razvoja polprevodnikov v preteklosti, Podatki družbe Wolfspeed kažejo, da se lahko z nadgradnjo substrata iz silicijevega karbida s 6 palcev na 8 palcev, kvalificirana proizvodnja čipov poveča za 80%-90% in pomaga izboljšati izkoristek.Lahko zmanjša skupne stroške na enoto za 50 %.
Leto 2023 je znano kot "prvo leto 8-palčnega SiC", letos domači in tuji proizvajalci silicijevega karbida pospešujejo postavitev 8-palčnega silicijevega karbida, kot je nora naložba Wolfspeed v višini 14,55 milijarde ameriških dolarjev za širitev proizvodnje silicijevega karbida, katerega pomemben del je gradnja tovarne za proizvodnjo 8-palčnega SiC substrata, da se zagotovi prihodnja dobava 200 mm gole kovine SiC številnim podjetjem;Domača podjetja Tianyue Advanced in Tianke Heda sta podpisala tudi dolgoročne pogodbe z Infineonom za dobavo 8-palčnih substratov iz silicijevega karbida v prihodnosti.
Od tega leta naprej bo silicijev karbid pospešil s 6 palcev na 8 palcev, Wolfspeed pričakuje, da se bo do leta 2024 cena enote čipa za 8-palčni substrat v primerjavi s ceno enote čipa za 6-palčni substrat leta 2022 znižala za več kot 60 %. , padec stroškov pa bo še dodatno odprl trg aplikacij, so poudarili podatki raziskave Ji Bond Consulting.Trenutni tržni delež 8-palčnih izdelkov je manjši od 2 %, do leta 2026 pa naj bi tržni delež narasel na približno 15 %.
Pravzaprav lahko stopnja upadanja cene substrata iz silicijevega karbida preseže domišljijo mnogih ljudi, trenutna tržna ponudba 6-palčnega substrata je 4000-5000 juanov/kos, v primerjavi z začetkom leta je močno padla, je Pričakuje se, da bo prihodnje leto padel pod 4000 juanov, je treba omeniti, da so nekateri proizvajalci, da bi dobili prvi trg, znižali prodajno ceno na stroškovno linijo spodaj, Odprl model cenovne vojne, v glavnem osredotočen na substrat iz silicijevega karbida Na nizkonapetostnem področju je bila oskrba razmeroma zadostna, domači in tuji proizvajalci agresivno širijo proizvodne zmogljivosti ali pa pustijo, da substrat iz silicijevega karbida preseže fazo prej, kot je bilo predvideno.
Čas objave: 19. januarja 2024