Introducere în carbura de siliciu
Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor compus din carbon și siliciu, fiind unul dintre materialele ideale pentru fabricarea de dispozitive pentru temperaturi înalte, frecvență înaltă, putere mare și tensiune înaltă. Comparativ cu materialul tradițional din siliciu (Si), intervalul de bandă al carburii de siliciu este de 3 ori mai mare decât cel al siliciului. Conductivitatea termică este de 4-5 ori mai mare decât cea a siliciului; Tensiunea de străpungere este de 8-10 ori mai mare decât cea a siliciului; Rata de drift de saturație electronică este de 2-3 ori mai mare decât cea a siliciului, ceea ce satisface nevoile industriei moderne pentru putere mare, tensiune înaltă și frecvență înaltă. Este utilizată în principal pentru producerea de componente electronice de mare viteză, frecvență înaltă, putere mare și emițătoare de lumină. Domeniile de aplicare din aval includ rețele inteligente, vehicule cu energie nouă, energie eoliană fotovoltaică, comunicații 5G etc. Diodele și MOSFET-urile din carbură de siliciu au fost utilizate comercial.
Rezistență la temperaturi ridicate. Lățimea benzii interzise a carburii de siliciu este de 2-3 ori mai mare decât cea a siliciului, electronii nu se deplasează ușor la temperaturi ridicate și pot rezista la temperaturi de funcționare mai ridicate, iar conductivitatea termică a carburii de siliciu este de 4-5 ori mai mare decât cea a siliciului, ceea ce facilitează disiparea căldurii dispozitivului și face ca temperatura limită de funcționare să fie mai mare. Rezistența la temperaturi ridicate poate crește semnificativ densitatea de putere, reducând în același timp cerințele sistemului de răcire, făcând terminalul mai ușor și mai mic.
Rezistă la presiuni ridicate. Intensitatea câmpului electric de străpungere a carburii de siliciu este de 10 ori mai mare decât cea a siliciului, aceasta putând rezista la tensiuni mai mari și fiind mai potrivită pentru dispozitive de înaltă tensiune.
Rezistență la frecvență înaltă. Carbura de siliciu are o rată de drift a electronilor saturați de două ori mai mare decât cea a siliciului, ceea ce duce la absența curentului de coadă în timpul procesului de oprire, ceea ce poate îmbunătăți eficient frecvența de comutare a dispozitivului și poate realiza miniaturizarea acestuia.
Pierderi reduse de energie. Comparativ cu materialul din siliciu, carbura de siliciu are o rezistență la conducție foarte scăzută și pierderi reduse. În același timp, lățimea mare a benzii interzise a carburii de siliciu reduce considerabil curentul de scurgere și pierderile de putere. În plus, dispozitivul din carbură de siliciu nu prezintă fenomenul de curent de scurgere în timpul procesului de oprire, iar pierderile de comutare sunt reduse.
Lanțul industrial al carburii de siliciu
Aceasta include în principal substratul, epitaxia, proiectarea dispozitivului, fabricația, etanșarea și așa mai departe. Carbura de siliciu din material până la dispozitivul de alimentare semiconductor va experimenta creșterea monocristalului, felierea lingourilor, creșterea epitaxială, proiectarea plachetei, fabricația, ambalarea și alte procese. După sinteza pulberii de carbură de siliciu, se produce mai întâi lingoul de carbură de siliciu, apoi substratul de carbură de siliciu se obține prin feliere, măcinare și lustruire, iar foaia epitaxială se obține prin creștere epitaxială. Placheta epitaxială este fabricată din carbură de siliciu prin litografie, gravare, implantare ionică, pasivizare metal și alte procese, placheta este tăiată în matriță, dispozitivul este ambalat și apoi dispozitivul este combinat într-o carcasă specială și asamblat într-un modul.
În amonte de lanțul industrial 1: substrat - creșterea cristalelor este veriga centrală a procesului
Substratul de carbură de siliciu reprezintă aproximativ 47% din costul dispozitivelor din carbură de siliciu, cele mai mari bariere tehnice de fabricație, cea mai mare valoare, fiind nucleul viitoarei industrializări la scară largă a SiC.
Din perspectiva diferențelor în ceea ce privește proprietățile electrochimice, materialele substrat din carbură de siliciu pot fi împărțite în substraturi conductive (regiunea de rezistivitate 15~30mΩ·cm) și substraturi semiizolate (rezistivitate mai mare de 105Ω·cm). Aceste două tipuri de substraturi sunt utilizate pentru fabricarea de dispozitive discrete, cum ar fi dispozitivele de alimentare și, respectiv, dispozitivele de radiofrecvență, după creștere epitaxială. Printre acestea, substratul semiizolat din carbură de siliciu este utilizat în principal la fabricarea dispozitivelor RF cu nitrură de galiu, a dispozitivelor fotoelectrice și așa mai departe. Prin creșterea stratului epitaxial gan pe substratul SIC semiizolat, se prepară placa epitaxială sic, care poate fi transformată ulterior în dispozitive RF cu izonitrură gan HEMT. Substratul conductiv din carbură de siliciu este utilizat în principal la fabricarea dispozitivelor de alimentare. Spre deosebire de procesul tradițional de fabricație a dispozitivelor de alimentare din siliciu, dispozitivul de alimentare din carbură de siliciu nu poate fi realizat direct pe substratul de carbură de siliciu, stratul epitaxial de carbură de siliciu trebuie crescut pe substratul conductiv pentru a obține foaia epitaxială de carbură de siliciu, iar stratul epitaxial este fabricat pe diode Schottky, MOSFET, IGBT și alte dispozitive de alimentare.
Pulberea de carbură de siliciu a fost sintetizată din pulbere de carbon de înaltă puritate și pulbere de siliciu de înaltă puritate, iar lingouri de carbură de siliciu de diferite dimensiuni au fost crescute într-un câmp de temperatură special, iar apoi substratul de carbură de siliciu a fost produs prin mai multe procese de prelucrare. Procesul de bază include:
Sinteza materiei prime: Pulberea de siliciu de înaltă puritate + tonerul sunt amestecate conform formulei, iar reacția se desfășoară în camera de reacție la temperaturi ridicate, peste 2000°C, pentru a sintetiza particulele de carbură de siliciu cu un tip de cristal și o dimensiune specifică a particulelor. Apoi, prin procese de concasare, cernere, curățare și alte procese, se îndeplinesc cerințele materiilor prime pentru pulberea de carbură de siliciu de înaltă puritate.
Creșterea cristalelor este procesul de bază al fabricării substraturilor de carbură de siliciu, care determină proprietățile electrice ale substratului. În prezent, principalele metode de creștere a cristalelor sunt transferul fizic de vapori (PVT), depunerea chimică de vapori la temperatură înaltă (HT-CVD) și epitaxia în fază lichidă (LPE). Printre acestea, metoda PVT este metoda principală pentru creșterea comercială a substratului de SiC în prezent, având cea mai mare maturitate tehnică și fiind cea mai utilizată în inginerie.
Prepararea substratului de SiC este dificilă, ceea ce duce la prețul său ridicat.
Controlul câmpului de temperatură este dificil: creșterea tijei cristaline de Si necesită doar 1500℃, în timp ce tijei cristaline de SiC trebuie crescute la o temperatură ridicată peste 2000℃, și există peste 250 de izomeri SiC, dar structura principală monocristalină 4H-SiC pentru producerea de dispozitive de putere, dacă nu este controlată cu precizie, va obține alte structuri cristaline. În plus, gradientul de temperatură din creuzet determină rata de transfer de sublimare a SiC și aranjamentul și modul de creștere a atomilor gazoși pe interfața cristalului, ceea ce afectează rata de creștere a cristalului și calitatea cristalului, așa că este necesară formarea unei tehnologii sistematice de control al câmpului de temperatură. Comparativ cu materialele Si, diferența în producția de SiC constă și în procesele la temperatură înaltă, cum ar fi implantarea ionilor la temperatură înaltă, oxidarea la temperatură înaltă, activarea la temperatură înaltă și procesul de mască dură necesar acestor procese la temperatură înaltă.
Creștere lentă a cristalelor: rata de creștere a tijei de cristal de Si poate ajunge la 30 ~ 150 mm/h, iar producția unei tije de cristal de siliciu de 1-3 m durează doar aproximativ 1 zi; pentru tija de cristal de SiC cu metoda PVT, rata de creștere este de aproximativ 0,2-0,4 mm/h, 7 zile pentru a crește mai puțin de 3-6 cm, rata de creștere este mai mică de 1% din materialul siliciu, capacitatea de producție este extrem de limitată.
Parametri de produs ridicați și randament scăzut: parametrii principali ai substratului de SiC includ densitatea microtubulilor, densitatea dislocațiilor, rezistivitatea, deformarea, rugozitatea suprafeței etc. Este o inginerie de sistem complexă pentru a aranja atomii într-o cameră închisă la temperatură înaltă și creșterea completă a cristalelor, controlând în același timp indicii parametrilor.
Materialul are duritate ridicată, fragilitate ridicată, timp lung de tăiere și uzură ridicată: duritatea SiC Mohs de 9,25 este a doua după diamant, ceea ce duce la o creștere semnificativă a dificultății de tăiere, șlefuire și lustruire, fiind nevoie de aproximativ 120 de ore pentru a tăia 35-40 de bucăți dintr-un lingou cu grosimea de 3 cm. În plus, din cauza fragilității ridicate a SiC, uzura la procesarea napolitanelor va fi mai mare, iar raportul de producție este de doar aproximativ 60%.
Tendință de dezvoltare: Creșterea dimensiunii + scăderea prețului
Linia de producție de volum de 6 inci de pe piața globală SiC se maturizează, iar companiile de top au intrat pe piața de 8 inci. Proiectele de dezvoltare interne se concentrează în principal pe 6 inci. În prezent, deși majoritatea companiilor autohtone se bazează încă pe linii de producție de 4 inci, industria se extinde treptat la 6 inci. Odată cu maturizarea tehnologiei echipamentelor de suport pentru 6 inci, tehnologia autohtonă a substraturilor SiC se îmbunătățește treptat, economiile de scară ale liniilor de producție de dimensiuni mari se vor reflecta, iar decalajul actual de timp pentru producția de masă internă de 6 inci s-a redus la 7 ani. Dimensiunea mai mare a napolitanei poate duce la o creștere a numărului de cipuri individuale, la îmbunătățirea ratei de randament și la reducerea proporției de cipuri de margine, iar costul cercetării și dezvoltării și pierderea de randament vor fi menținute la aproximativ 7%, îmbunătățind astfel utilizarea napolitanei.
Există încă multe dificultăți în proiectarea dispozitivelor
Comercializarea diodelor SiC se îmbunătățește treptat. În prezent, o serie de producători autohtoni au proiectat produse SiC SBD, produsele SiC SBD de medie și înaltă tensiune având o stabilitate bună. În OBC-urile vehiculelor, utilizarea SiC SBD + SI IGBT pentru a obține o densitate de curent stabilă. În prezent, nu există bariere în proiectarea brevetată a produselor SiC SBD în China, iar decalajul față de țările străine este mic.
Transformatoarele MOS SiC întâmpină încă multe dificultăți, există încă o diferență între acestea și producătorii străini, iar platforma de fabricație relevantă este încă în construcție. În prezent, ST, Infineon, Rohm și alți MOS SiC de 600-1700V au atins producția în masă și au semnat și livrat cu multe industrii producătoare, în timp ce proiectul actual intern de MOS SiC este practic finalizat, o serie de producători de proiectare lucrează cu fabricile în etapa de flux de wafer, iar verificarea ulterioară a clienților necesită încă ceva timp, așa că mai este mult timp până la comercializarea la scară largă.
În prezent, structura planară este alegerea principală, iar tipul de tip șanț va fi utilizat pe scară largă în domeniul de înaltă presiune în viitor. Există mulți producători de circuite MOS SiC cu structură planară, structurile planare nu produc ușor probleme de defect local în comparație cu canelurile, afectând stabilitatea lucrării. Pe piață, tensiunile sub 1200V au o gamă largă de aplicații, iar structura planară este relativ simplă din punct de vedere al fabricației, pentru a îndeplini două aspecte legate de fabricabilitate și controlul costurilor. Dispozitivul cu caneluri are avantajele unei inductanțe parazitare extrem de scăzute, viteze de comutare rapide, pierderi reduse și performanțe relativ ridicate.
2 -- Știri despre napolitanele SiC
Creșterea producției și a vânzărilor pe piața carburii de siliciu, acordând atenție dezechilibrului structural dintre cerere și ofertă
Odată cu creșterea rapidă a cererii de pe piață pentru electronice de putere de înaltă frecvență și mare putere, blocajul fizic al dispozitivelor semiconductoare pe bază de siliciu a devenit treptat proeminent, iar materialele semiconductoare de a treia generație, reprezentate de carbura de siliciu (SiC), au devenit treptat industrializate. Din punctul de vedere al performanței materialului, carbura de siliciu are o lățime a benzii interzise de 3 ori mai mare decât materialul siliciu, o intensitate a câmpului electric de străpungere critică de 10 ori mai mare și o conductivitate termică de 3 ori mai mare, astfel încât dispozitivele de putere din carbură de siliciu sunt potrivite pentru aplicații de înaltă frecvență, presiune înaltă, temperatură înaltă și alte aplicații, contribuind la îmbunătățirea eficienței și a densității de putere a sistemelor electronice de putere.
În prezent, diodele SiC și MOSFET-urile SiC au intrat treptat pe piață, existând produse mai mature, printre care diodele SiC sunt utilizate pe scară largă în locul diodelor pe bază de siliciu în anumite domenii, deoarece nu au avantajul încărcării inverse cu recuperare; MOSFET-urile SiC sunt, de asemenea, utilizate treptat în industria auto, stocarea energiei, încărcarea pilelor, fotovoltaică și alte domenii; În domeniul aplicațiilor auto, tendința de modularizare devine din ce în ce mai proeminentă, performanța superioară a SiC trebuie să se bazeze pe procese avansate de ambalare pentru a fi obținută, tehnic, cu etanșarea relativ matură a carcasei ca mainstream, viitorul sau dezvoltarea etanșării din plastic, caracteristicile sale de dezvoltare personalizate fiind mai potrivite pentru modulele SiC.
Viteza de scădere a prețului carburii de siliciu sau dincolo de imaginație
Aplicarea dispozitivelor din carbură de siliciu este limitată în principal de costul ridicat, prețul MOSFET-urilor SiC sub același nivel fiind de 4 ori mai mare decât cel al IGBT-urilor pe bază de Si, deoarece procesul de fabricare a carburii de siliciu este complex, în care creșterea monocristalului și epitaxialitatea nu este doar dăunătoare mediului, ci și rata de creștere este lentă, iar prelucrarea monocristalului în substrat trebuie să treacă prin procesul de tăiere și lustruire. Pe baza caracteristicilor materialelor proprii și a tehnologiei de procesare imature, randamentul substratului intern este mai mic de 50%, iar diverși factori duc la prețuri ridicate ale substratului și epitaxialității.
Cu toate acestea, compoziția costurilor dispozitivelor din carbură de siliciu și a dispozitivelor pe bază de siliciu este diametral opusă, costurile substratului și epitaxiei canalului frontal reprezentând 47%, respectiv 23% din întregul dispozitiv, totalizând aproximativ 70%, proiectarea dispozitivului, fabricarea și etanșarea legăturilor canalului posterior reprezintă doar 30%, costul de producție al dispozitivelor pe bază de siliciu este concentrat în principal pe fabricarea plachetelor canalului posterior (aproximativ 50%), iar costul substratului reprezintă doar 7%. Fenomenul inversării valorii lanțului industrial al carburii de siliciu înseamnă că producătorii de epitaxie a substraturilor din amonte au dreptul fundamental de a vorbi, ceea ce este cheia structurii întreprinderilor autohtone și străine.
Din punct de vedere dinamic al pieței, reducerea costului carburii de siliciu, pe lângă îmbunătățirea cristalelor lungi de carbură de siliciu și a procesului de feliere, înseamnă extinderea dimensiunii plachetei, aceasta fiind și calea matură pentru dezvoltarea semiconductorilor în trecut. Datele Wolfspeed arată că modernizarea substratului de carbură de siliciu de la 6 inci la 8 inci, producția de cipuri calificate poate crește cu 80%-90% și poate contribui la îmbunătățirea randamentului. Costul unitar combinat poate fi redus cu 50%.
Anul 2023 este cunoscut drept „primul an al SiC de 8 inci”. În acest an, producătorii autohtoni și străini de carbură de siliciu accelerează proiectarea carburii de siliciu de 8 inci, cum ar fi investiția uriașă a lui Wolfspeed de 14,55 miliarde de dolari americani pentru extinderea producției de carbură de siliciu, o parte importantă a acesteia fiind construirea unei fabrici de producție de substraturi SiC de 8 inci. Pentru a asigura aprovizionarea viitoare cu metal nefinisat SiC de 200 mm către o serie de companii, Tianyue Advanced și Tianke Heda au semnat, de asemenea, acorduri pe termen lung cu Infineon pentru a furniza substraturi de carbură de siliciu de 8 inci în viitor.
Începând cu acest an, carbura de siliciu va accelera creșterea de la 6 inci la 8 inci. Wolfspeed estimează că până în 2024, costul unitar al cipului pentru substratul de 8 inci, comparativ cu costul unitar al cipului pentru substratul de 6 inci în 2022, va fi redus cu peste 60%, iar scăderea costurilor va deschide și mai mult piața aplicațiilor, au subliniat datele de cercetare Ji Bond Consulting. Cota de piață actuală a produselor de 8 inci este mai mică de 2%, iar cota de piață este așteptată să crească la aproximativ 15% până în 2026.
De fapt, rata de scădere a prețului substratului de carbură de siliciu poate depăși imaginația multora. Oferta actuală de pe piață pentru substratul de 6 inci este de 4000-5000 de yuani/bucată, comparativ cu începutul anului, scăzând mult și se așteaptă să scadă sub 4000 de yuani anul viitor. Este demn de remarcat faptul că unii producători, pentru a intra pe piață în primul rând, au redus prețul de vânzare la linia de cost sub aceasta. Au deschis modelul războiului prețurilor, concentrându-se în principal pe oferta de substraturi de carbură de siliciu, care a fost relativ suficientă în domeniul joasă tensiune. Producătorii autohtoni și străini își extind agresiv capacitatea de producție sau permit ca substratul de carbură de siliciu să intre în stadiul de supraofertă mai devreme decât se imagina.
Data publicării: 19 ian. 2024