Знайомство з карбідом кремнію
Карбід кремнію (SiC) — це складний напівпровідниковий матеріал, що складається з вуглецю та кремнію, який є одним із ідеальних матеріалів для виготовлення високотемпературних, високочастотних, потужних і високовольтних пристроїв. У порівнянні з традиційним кремнієвим матеріалом (Si), ширина забороненої зони карбіду кремнію в 3 рази більша, ніж у кремнію. Теплопровідність в 4-5 разів перевищує теплопровідність кремнію; Напруга пробою в 8-10 разів перевищує напругу кремнію; Швидкість дрейфу електронного насичення в 2-3 рази перевищує швидкість кремнію, що відповідає потребам сучасної промисловості у високій потужності, високій напрузі та високій частоті. В основному використовується для виробництва високошвидкісних, високочастотних, потужних і світловипромінюючих електронних компонентів. Сфери застосування нижче за течією включають інтелектуальну мережу, транспортні засоби нових джерел енергії, фотоелектричну енергію вітру, зв’язок 5G тощо. Діоди з карбіду кремнію та MOSFET знайшли комерційне застосування.
Стійкість до високих температур. Ширина забороненої зони карбіду кремнію в 2-3 рази більша, ніж у кремнію, електрони нелегко переходять при високих температурах і можуть витримувати більш високі робочі температури, а теплопровідність карбіду кремнію в 4-5 разів більша, ніж у кремнію, полегшує відведення тепла пристрою та підвищує граничну робочу температуру. Стійкість до високих температур може значно збільшити щільність потужності, одночасно зменшуючи вимоги до системи охолодження, роблячи термінал легшим і меншим.
Витримують високий тиск. Напруженість електричного поля карбіду кремнію в 10 разів більша, ніж у кремнію, який може витримувати вищу напругу та більше підходить для високовольтних пристроїв.
Опір високої частоти. Карбід кремнію має швидкість дрейфу насичених електронів у два рази більшу, ніж у кремнію, що призводить до відсутності залишків струму під час процесу вимкнення, що може ефективно покращити частоту перемикання пристрою та реалізувати мініатюризацію пристрою.
Низькі втрати енергії. У порівнянні з кремнієвим матеріалом, карбід кремнію має дуже низький опір і низькі втрати. У той же час велика ширина забороненої зони карбіду кремнію значно зменшує струм витоку та втрати потужності. Крім того, пристрій з карбіду кремнію не має явища відставання струму під час процесу вимкнення, а втрати при перемиканні низькі.
Промисловий ланцюг карбіду кремнію
В основному це включає підкладку, епітаксію, дизайн пристрою, виготовлення, герметизацію тощо. Карбід кремнію від матеріалу до напівпровідникового силового пристрою піддаватиметься зростанню монокристалів, розрізанню зливків, епітаксійному зростанню, дизайну пластин, виробництву, пакуванню та іншим процесам. Після синтезу порошку карбіду кремнію спочатку виготовляють злиток карбіду кремнію, а потім шляхом нарізання, шліфування та полірування отримують підкладку з карбіду кремнію, а епітаксіальний лист отримують шляхом епітаксійного зростання. Епітаксіальна пластина виготовляється з карбіду кремнію за допомогою літографії, травлення, іонної імплантації, пасивації металу та інших процесів, пластина розрізається на матрицю, пристрій упаковується, а пристрій поєднується в спеціальну оболонку та збирається в модуль.
На початку промислового ланцюга 1: підкладка - зростання кристалів є основною ланкою процесу
На підкладку з карбіду кремнію припадає близько 47% вартості пристроїв з карбіду кремнію, найвищі виробничі технічні бар’єри, найбільше значення, є ядром майбутньої великомасштабної індустріалізації SiC.
З точки зору відмінностей електрохімічних властивостей матеріали підкладки з карбіду кремнію можна розділити на провідні підкладки (діапазон питомого опору 15~30 мОм·см) і напівізольовані підкладки (питомий опір вище 105 Ом·см). Ці два типи підкладок використовуються для виготовлення дискретних пристроїв, таких як силові пристрої та радіочастотні пристрої відповідно після епітаксійного росту. Серед них напівізольована підкладка з карбіду кремнію в основному використовується у виробництві радіочастотних пристроїв з нітриду галію, фотоелектричних пристроїв тощо. Шляхом вирощування епітаксійного шару ган на напівізольованій підкладці SIC готується епітаксіальна пластина, яка може бути надалі підготовлена до радіочастотних пристроїв HEMT gan ізонітриду. Струмопровідна підкладка з карбіду кремнію в основному використовується у виробництві силових пристроїв. На відміну від традиційного процесу виробництва кремнієвих силових пристроїв, силовий пристрій з карбіду кремнію не може бути виготовлений безпосередньо на підкладці з карбіду кремнію, епітаксіальний шар карбіду кремнію потрібно вирощувати на провідній підкладці, щоб отримати епітаксіальний лист з карбіду кремнію, а епітаксіальний шар шар виготовляється на діодах Шотткі, MOSFET, IGBT та інших силових пристроях.
Порошок карбіду кремнію був синтезований з порошку вуглецю високої чистоти та порошку кремнію високої чистоти, і різні розміри злитка карбіду кремнію були вирощені в спеціальному температурному полі, а потім підкладка карбіду кремнію була виготовлена за допомогою багатьох процесів обробки. Основний процес включає:
Синтез сировини: порошок кремнію високої чистоти + тонер змішують відповідно до формули, і реакція здійснюється в реакційній камері при високій температурі вище 2000 °C для синтезу частинок карбіду кремнію з певним типом кристалів і частинками. розмір. Потім через дроблення, просіювання, очищення та інші процеси, щоб відповідати вимогам високої чистоти порошкової сировини карбіду кремнію.
Вирощування кристалів є основним процесом виробництва підкладки з карбіду кремнію, який визначає електричні властивості підкладки з карбіду кремнію. В даний час основними методами вирощування кристалів є фізичний перенесення з парів (PVT), високотемпературне хімічне осадження з парів (HT-CVD) і рідкофазна епітаксія (LPE). Серед них метод PVT є основним методом комерційного вирощування підкладки SiC на даний момент, має найвищу технічну зрілість і найбільш широко використовується в техніці.
Підготовка підкладки SiC складна, що призводить до її високої ціни
Контроль температурного поля є складним: зростання кристалічного стрижня Si потребує лише 1500 ℃, тоді як кристалічний стрижень SiC потрібно вирощувати при високій температурі понад 2000 ℃, і існує понад 250 ізомерів SiC, але основна монокристалічна структура 4H-SiC для виробництво енергетичних пристроїв, якщо не буде точного контролю, отримає інші кристалічні структури. Крім того, градієнт температури в тиглі визначає швидкість сублімаційного перенесення SiC та розташування та режим росту атомів газу на межі кристала, що впливає на швидкість росту кристала та якість кристала, тому необхідно сформувати систематичне температурне поле. технологія контролю. Порівняно з матеріалами Si, різниця у виробництві SiC також полягає у високотемпературних процесах, таких як високотемпературна іонна імплантація, високотемпературне окислення, високотемпературна активація та процес жорсткої маски, необхідний для цих високотемпературних процесів.
Повільний ріст кристалів: швидкість росту кристалічного стрижня кремнію може досягати 30 ~ 150 мм/год, а виробництво 1-3 м кремнієвого кристалічного стрижня займає лише 1 день; Кристалічний стрижень SiC із методом PVT як приклад, швидкість росту становить приблизно 0,2-0,4 мм/год, 7 днів для зростання менше 3-6 см, швидкість росту становить менше 1% кремнієвого матеріалу, виробнича потужність надзвичайно висока обмежений.
Високі параметри продукту та низький вихід: основні параметри підкладки SiC включають щільність мікротрубочок, щільність дислокацій, питомий опір, викривлення, шорсткість поверхні тощо. Це складна системна інженерія для розміщення атомів у закритій високотемпературній камері та повного росту кристалів, під час контролю індексів параметрів.
Матеріал має високу твердість, високу крихкість, тривалий час різання та високий рівень зношування: твердість SiC за Моосом 9,25 поступається лише алмазу, що призводить до значного збільшення складності різання, шліфування та полірування, і для цього потрібно приблизно 120 годин. відріжте 35-40 шматків злитка товщиною 3 см. Крім того, через високу крихкість SiC знос при обробці пластин буде більшим, а коефіцієнт виходу становить лише близько 60%.
Тенденція розвитку: Збільшення розміру + зниження ціни
Глобальний ринок SiC для масового виробництва 6-дюймових пристроїв розвивається, і провідні компанії вийшли на ринок 8-дюймових пристроїв. Вітчизняні проекти розробки в основному 6 дюймів. В даний час, хоча більшість вітчизняних компаній все ще базуються на 4-дюймових виробничих лініях, але галузь поступово розширюється до 6-дюймових, із зрілістю технології підтримки 6-дюймового обладнання, вітчизняна технологія підкладки SiC також поступово покращує економіку буде відображено масштаб великогабаритних виробничих ліній, а поточний часовий проміжок у внутрішньому масовому виробництві 6-дюймових екранів скоротився до 7 років. Більший розмір пластини може призвести до збільшення кількості окремих чіпів, покращити коефіцієнт виходу та зменшити частку чіпів із країв, а витрати на дослідження та розробки та втрату виходу підтримуватимуться на рівні приблизно 7%, тим самим покращуючи пластину використання.
Є ще багато труднощів у проектуванні пристрою
Комерціалізація діода SiC поступово покращується, на даний момент ряд вітчизняних виробників розробили продукти SiC SBD, продукти SiC SBD середньої та високої напруги мають хорошу стабільність, у транспортному засобі OBC, використання SiC SBD+SI IGBT для досягнення стабільності щільність струму. На даний момент немає жодних перешкод у патентному дизайні продуктів SiC SBD у Китаї, а розрив із зарубіжними країнами невеликий.
SiC MOS все ще має багато труднощів, все ще існує розрив між SiC MOS та закордонними виробниками, а відповідна виробнича платформа все ще будується. В даний час ST, Infineon, Rohm та інші 600-1700 В SiC MOS досягли масового виробництва та підписали та відправили в багато виробничих галузей, тоді як поточний внутрішній дизайн SiC MOS в основному завершено, ряд виробників дизайну працюють з заводами на стадії потоку пластини, а пізніше перевірка клієнта все ще потребує деякого часу, тому до широкомасштабної комерціалізації ще багато часу.
В даний час плоска конструкція є основним вибором, а тип траншеї широко використовується в області високого тиску в майбутньому. Багато виробників планарної структури SiC MOS, планарну структуру нелегко виробляти локальні проблеми з розбивкою порівняно з канавкою, що впливає на стабільність роботи, на ринку нижче 1200 В має широкий діапазон застосування, а планарна структура відносно простий у виробництві, щоб задовольнити два аспекти технологічності та контролю витрат. Пристрій з пазами має такі переваги, як надзвичайно низька паразитна індуктивність, швидка швидкість перемикання, низькі втрати та відносно висока продуктивність.
2 - Новини про пластини SiC
Виробництво та зростання продажів карбіду кремнію на ринку, зверніть увагу на структурний дисбаланс між попитом і пропозицією
Зі швидким зростанням ринкового попиту на високочастотну та потужну силову електроніку, вузьке місце фізичних обмежень напівпровідникових пристроїв на основі кремнію поступово стає помітним, і напівпровідникові матеріали третього покоління, представлені карбідом кремнію (SiC), поступово стають помітними. стати індустріалізованим. З точки зору продуктивності матеріалу, карбід кремнію має в 3 рази більшу ширину забороненої зони, ніж кремнієвий матеріал, у 10 разів більшу критичну напруженість електричного поля, у 3 рази більшу теплопровідність, тому силові пристрої з карбіду кремнію підходять для високої частоти, високого тиску, висока температура та інші застосування, допомагають підвищити ефективність і щільність потужності силових електронних систем.
В даний час SiC діоди та SiC MOSFET поступово переміщуються на ринок, і є більш зрілі продукти, серед яких SiC діоди широко використовуються замість діодів на основі кремнію в деяких областях, оскільки вони не мають переваги зворотного відновлення заряду; SiC MOSFET також поступово використовується в автомобільній промисловості, накопичувачах енергії, зарядних колонах, фотоелектричних та інших сферах; У галузі автомобільних застосувань тенденція модульності стає дедалі помітнішою, для досягнення чудової продуктивності SiC необхідно покладатися на вдосконалені процеси пакування, технічно з відносно зрілим ущільненням оболонки як основним напрямом, майбутнім або розробкою пластикового ущільнення , його індивідуальні характеристики розробки більше підходять для модулів SiC.
Карбід кремнію ціна знижується швидко або за межами уяви
Застосування пристроїв з карбіду кремнію в основному обмежується високою вартістю, ціна SiC MOSFET на тому ж рівні в 4 рази вища, ніж у IGBT на основі Si, це тому, що процес карбіду кремнію є складним, у якому зростання монокристал та епітаксій не тільки суворий для навколишнього середовища, але також швидкість росту є повільною, і монокристал, оброблений у підкладку, повинен пройти через процес різання та полірування. Виходячи з власних характеристик матеріалу та незрілої технології обробки, вихід вітчизняної підкладки становить менше 50%, і різні фактори призводять до високих цін на підкладку та епітаксій.
Однак структура вартості пристроїв на основі карбіду кремнію та пристроїв на основі кремнію є діаметрально протилежною: витрати на підкладку та епітаксій переднього каналу складають відповідно 47% та 23% від усього пристрою, що становить близько 70%, конструкція пристрою, виробництво і ущільнювальні ланки заднього каналу складають лише 30%, вартість виробництва пристроїв на основі кремнію в основному зосереджена у виробництві пластин заднього каналу приблизно 50%, а вартість підкладки становить лише 7%. Феномен значення промислового ланцюга карбіду кремнію догори ногами означає, що виробники епітаксії підкладки вище за течією мають основне право говорити, що є ключем до макета вітчизняних та іноземних підприємств.
З динамічної точки зору на ринку, зниження вартості карбіду кремнію, на додаток до вдосконалення довгого кристала карбіду кремнію та процесу нарізки, полягає у збільшенні розміру пластини, що також є зрілим шляхом розвитку напівпровідників у минулому, Дані Wolfspeed показують, що оновлення підкладки з карбіду кремнію з 6 дюймів до 8 дюймів, кваліфіковане виробництво чіпів може збільшитися на 80%-90% і допомогти підвищити врожайність. Може зменшити сукупну вартість одиниці продукції на 50%.
2023 рік відомий як «перший рік 8-дюймового карбіду кремнію», цього року вітчизняні та іноземні виробники карбіду кремнію прискорюють макет 8-дюймового карбіду кремнію, наприклад, божевільні інвестиції Wolfspeed у розмірі 14,55 мільярдів доларів США для розширення виробництва карбіду кремнію, важливою частиною якого є будівництво заводу з виробництва 8-дюймових підкладок SiC, щоб забезпечити майбутні постачання голого металу 200 мм SiC ряду компаній; Домашні Tianyue Advanced і Tianke Heda також підписали довгострокові угоди з Infineon про постачання 8-дюймових підкладок з карбіду кремнію в майбутньому.
Починаючи з цього року карбід кремнію збільшиться з 6 дюймів до 8 дюймів, Wolfspeed очікує, що до 2024 року вартість одиниці чіпа 8-дюймової підкладки порівняно з вартістю одиниці чіпа 6-дюймової підкладки в 2022 році буде знижена більш ніж на 60% , а зниження вартості ще більше відкриє ринок додатків, вказують дані дослідження Ji Bond Consulting. Поточна частка ринку 8-дюймових продуктів становить менше 2%, і очікується, що до 2026 року частка ринку зросте приблизно до 15%.
Насправді швидкість зниження ціни на підкладку з карбіду кремнію може перевершити уяву багатьох людей, поточна ринкова пропозиція 6-дюймової підкладки становить 4000-5000 юанів за штуку, порівняно з початком року значно впала, є Очікується, що наступного року впаде нижче 4000 юанів, варто зазначити, що деякі виробники, щоб отримати перший ринок, знизили ціну продажу до лінії собівартості нижче, Відкрито модель цінової війни, головним чином зосереджену на підкладці з карбіду кремнію постачання було відносно достатнім у полі низької напруги, вітчизняні та зарубіжні виробники агресивно розширюють виробничі потужності або дозволяють підкладці з карбіду кремнію надлишкової пропозиції раніше, ніж уявлялося.
Час публікації: 19 січня 2024 р