Увод у силицијум карбид
Силицијум карбид (SiC) је сложени полупроводнички материјал састављен од угљеника и силицијума, који је један од идеалних материјала за израду уређаја високих температура, високих фреквенција, велике снаге и високог напона. У поређењу са традиционалним силицијумским материјалом (Si), забрањена зона силицијум карбида је 3 пута већа од силицијума. Топлотна проводљивост је 4-5 пута већа од силицијума; пробојни напон је 8-10 пута већи од силицијума; брзина електронског засићења је 2-3 пута већа од силицијума, што задовољава потребе модерне индустрије за високим снагом, високим напоном и високом фреквенцијом. Углавном се користи за производњу електронских компоненти велике брзине, високих фреквенција, велике снаге и које емитују светлост. Низводне области примене укључују паметне мреже, возила нове енергије, фотонапонску енергију ветра, 5G комуникацију итд. Силицијум карбидне диоде и MOSFET-ови су комерцијално примењени.
Отпорност на високе температуре. Ширина забрањене зоне силицијум карбида је 2-3 пута већа од силицијумске, електрони се не преносе лако на високим температурама и могу издржати више радне температуре, а топлотна проводљивост силицијум карбида је 4-5 пута већа од силицијумске, што олакшава одвођење топлоте уређаја и повећава граничну радну температуру. Отпорност на високе температуре може значајно повећати густину снаге, а истовремено смањити захтеве за систем хлађења, чинећи терминал лакшим и мањим.
Издржи висок притисак. Јачина пробојног електричног поља силицијум карбида је 10 пута већа од силицијума, који може да издржи веће напоне и погоднији је за уређаје високог напона.
Отпорност на високе фреквенције. Силицијум карбид има засићену брзину дрифта електрона двоструко већу од силицијума, што резултира одсуством струјног заостајања током процеса искључивања, што може ефикасно побољшати фреквенцију прекидача уређаја и остварити минијатуризацију уређаја.
Ниски губици енергије. У поређењу са силицијумским материјалом, силицијум карбид има веома низак отпор у укљученом стању и мале губитке у укљученом стању. Истовремено, велика ширина забрањене зоне силицијум карбида значајно смањује струју цурења и губитак снаге. Поред тога, силицијум карбидни уређај нема феномен пражњења струје током процеса искључивања, а губици при прекидању су мали.
Ланац индустрије силицијум карбида
Углавном обухвата подлогу, епитаксију, дизајн уређаја, производњу, заптивање и тако даље. Силицијум карбид од материјала до полупроводничког уређаја ће доживети раст монокристала, сечење ингота, епитаксијални раст, дизајн плочице, производњу, паковање и друге процесе. Након синтезе праха силицијум карбида, прво се прави ингот силицијум карбида, а затим се подлога силицијум карбида добија сечењем, брушењем и полирањем, а епитаксијални лист се добија епитаксијалним растом. Епитаксијална плочица се прави од силицијум карбида путем литографије, нагризања, јонске имплантације, пасивације метала и других процеса, плочица се сече у матрицу, уређај се пакује, а уређај се комбинује у посебну љуску и саставља у модул.
Узводно у индустријском ланцу 1: супстрат - раст кристала је основна процесна веза
Силицијум карбид супстрат чини око 47% трошкова силицијум карбидних уређаја, највише производне техничке баријере, највећа вредност, је срж будуће велике индустријализације SiC-а.
Са становишта разлика у електрохемијским својствима, материјали силицијум карбидних подлога могу се поделити на проводљиве подлоге (подручје отпорности 15~30mΩ·cm) и полуизоловане подлоге (отпорност већа од 105Ω·cm). Ове две врсте подлога се користе за производњу дискретних уређаја као што су уређаји за напајање и радиофреквентни уређаји, након епитаксијалног раста. Међу њима, полуизолована силицијум карбидна подлога се углавном користи у производњи РФ уређаја од галијум нитрида, фотоелектричних уређаја и тако даље. Узгојем gan епитаксијалног слоја на полуизолованој SIC подлози, припрема се sic епитаксијална плоча, која се даље може припремити у HEMT gan изо-нитридне РФ уређаје. Проводна силицијум карбидна подлога се углавном користи у производњи уређаја за напајање. За разлику од традиционалног процеса производње силицијумских уређаја за напајање, силицијум карбидски уређај за напајање не може се директно направити на силицијум карбидној подлози, епитаксијални слој силицијум карбида мора се узгајати на проводљивој подлози да би се добио епитаксијални слој силицијум карбида, а епитаксијални слој се производи на Шоткијевој диоди, MOSFET-у, IGBT-у и другим уређајима за напајање.
Прах силицијум карбида је синтетисан од праха угљеника високе чистоће и праха силицијума високе чистоће, а различите величине ингота силицијум карбида су узгајане под посебним температурним пољем, а затим је подлога силицијум карбида произведена кроз вишеструке процесе обраде. Основни процес обухвата:
Синтеза сировина: Силицијумски прах високе чистоће + тонер се мешају према формули, а реакција се изводи у реакционој комори под условима високе температуре изнад 2000°C да би се синтетизовале честице силицијум карбида са специфичним типом кристала и величином честица. Затим се кроз дробљење, сејање, чишћење и друге процесе испуњавају захтеви за сировине од силицијум карбидног праха високе чистоће.
Раст кристала је основни процес производње силицијум карбидних супстрата, који одређује електрична својства силицијум карбидних супстрата. Тренутно, главне методе за раст кристала су физички пренос паре (PVT), хемијско таложење паре на високој температури (HT-CVD) и епитаксија течне фазе (LPE). Међу њима, PVT метода је тренутно главна метода за комерцијални раст SiC супстрата, са највећом техничком зрелошћу и најшире коришћеном у инжењерству.
Припрема SiC подлоге је тешка, што доводи до њене високе цене
Контрола температурног поља је тешка: за раст Si кристалних штапића потребно је само 1500℃, док SiC кристалне штапиће треба узгајати на високој температури изнад 2000℃, и постоји више од 250 SiC изомера, али главна 4H-SiC монокристална структура за производњу енергетских уређаја, ако се не контролише прецизно, добиће друге кристалне структуре. Поред тога, температурни градијент у лончићу одређује брзину преноса сублимације SiC и распоред и начин раста гасовитих атома на кристалној површини, што утиче на брзину раста кристала и квалитет кристала, па је неопходно формирати систематску технологију контроле температурног поља. У поређењу са Si материјалима, разлика у производњи SiC је и у процесима на високој температури као што су имплантација јона на високој температури, оксидација на високој температури, активација на високој температури и процес тврде маске који захтевају ови процеси на високој температури.
Спори раст кристала: брзина раста Si кристалне шипке може достићи 30 ~ 150 мм/х, а производња 1-3 м силицијумске кристалне шипке траје само око 1 дан; на пример, SiC кристална шипка добијена PVT методом, брзина раста је око 0,2-0,4 мм/х, 7 дана расте мање од 3-6 цм, брзина раста је мања од 1% силицијумског материјала, производни капацитет је изузетно ограничен.
Високи параметри производа и низак принос: основни параметри SiC подлоге укључују густину микротубула, густину дислокација, отпорност, искривљеност, храпавост површине итд. То је сложен системски инжењеринг за распоређивање атома у затвореној комори високе температуре и комплетан раст кристала, уз контролу индекса параметара.
Материјал има високу тврдоћу, високу кртост, дуго време сечења и високу отпорност на хабање: тврдоћа SiC по Мохсовој скали од 9,25 је друга одмах после дијаманта, што доводи до значајног повећања тешкоће сечења, брушења и полирања, а потребно је приближно 120 сати да се исече 35-40 комада ингота дебљине 3 цм. Поред тога, због високе кртости SiC, хабање приликом обраде плочица ће бити веће, а излазни однос је само око 60%.
Тренд развоја: Повећање величине + смањење цене
Глобално тржиште SiC производних линија од 6 инча сазрева, а водеће компаније су ушле на тржиште од 8 инча. Домаћи развојни пројекти су углавном од 6 инча. Тренутно, иако се већина домаћих компанија и даље заснива на производним линијама од 4 инча, индустрија се постепено шири на 6 инча. Са зрелошћу технологије опреме за подршку 6 инча, домаћа технологија SiC подлога такође постепено побољшава, што ће се одразити на економију обима великих производних линија, а тренутни временски јаз за масовну производњу 6 инча на домаћем тржишту смањио се на 7 година. Већа величина плочице може довести до повећања броја појединачних чипова, побољшања стопе приноса и смањења удела чипова на ивицама, док ће трошкови истраживања и развоја и губитак приноса остати на око 7%, чиме се побољшава искоришћење плочице.
И даље постоји много потешкоћа у дизајну уређаја
Комерцијализација SiC диода се постепено побољшава, тренутно је велики број домаћих произвођача дизајнирао SiC SBD производе, средњенапонски и високонапонски SiC SBD производи имају добру стабилност, у OBC возила, употреба SiC SBD+SI IGBT за постизање стабилне густине струје. Тренутно, нема препрека у патентном дизајну SiC SBD производа у Кини, а разлика у односу на друге земље је мала.
SiC MOS и даље има много потешкоћа, још увек постоји јаз између SiC MOS-а и страних произвођача, а релевантна производна платформа је још увек у изградњи. Тренутно, ST, Infineon, Rohm и други 600-1700V SiC MOS су постигли масовну производњу и потписали су уговоре и испоручују се многим производним индустријама, док је тренутни домаћи SiC MOS дизајн у основи завршен, бројни произвођачи дизајна сарађују са фабрикама у фази производње плочица, а каснија верификација купаца и даље захтева неко време, тако да је још увек дуго до комерцијализације великих размера.
Тренутно је планарна структура главни избор, а тип ровова ће се широко користити у области високог притиска у будућности. Произвођачи SiC MOS транзистора са планарном структуром су многи, планарна структура не изазива локалне проблеме са кваром у поређењу са жлебовима, што утиче на стабилност рада. На тржишту испод 1200V има широк спектар примене, а планарна структура је релативно једноставна у производњи, задовољавајући два аспекта производности и контроле трошкова. Уређај са жлебовима има предности изузетно ниске паразитске индуктивности, велике брзине пребацивања, малих губитака и релативно високих перформанси.
2--Вести о SiC плочицама
Производња и раст продаје на тржишту силицијум карбида, обратите пажњу на структурни дисбаланс између понуде и потражње
Са брзим растом тржишне потражње за високофреквентном и енергетском електроником велике снаге, физичко ограничење уског грла полупроводничких уређаја на бази силицијума постепено је постало истакнуто, а полупроводнички материјали треће генерације, представљени силицијум карбидом (SiC), постепено су постали индустријализовани. Са становишта перформанси материјала, силицијум карбид има 3 пута већу ширину забрањене зоне од силицијумског материјала, 10 пута већу критичну јачину електричног поља пробоја и 3 пута већу топлотну проводљивост, па су силицијум карбидни енергетски уређаји погодни за високе фреквенције, високе притиске, високе температуре и друге примене, помажући у побољшању ефикасности и густине снаге енергетских електронских система.
Тренутно су се SiC диоде и SiC MOSFET-ови постепено померали на тржиште, а постоје и зрелији производи, међу којима се SiC диоде широко користе уместо силицијумских диода у неким областима јер немају предност обрнутог опоравка пуњења; SiC MOSFET се такође постепено користи у аутомобилској индустрији, складиштењу енергије, пуњењу гомила, фотонапонским системима и другим областима; У области аутомобилских примена, тренд модуларизације постаје све израженији, а супериорне перформансе SiC-а морају се ослањати на напредне процесе паковања да би се постигле, технички гледано са релативно зрелим заптивањем љуске као главним током, будућност или развој пластичног заптивања, његове прилагођене карактеристике развоја су погодније за SiC модуле.
Брзина пада цене силицијум карбида или изван маште
Примена уређаја од силицијум карбида је углавном ограничена високом ценом. Цена SiC MOSFET-а на истом нивоу је 4 пута већа од цене IGBT-а на бази Si. То је зато што је процес производње силицијум карбида сложен, где раст монокристала и епитаксијалног транзистора није само штетан за животну средину, већ је и стопа раста спора, а обрада монокристала у подлогу мора проћи кроз процес сечења и полирања. Због сопствених карактеристика материјала и незреле технологије обраде, принос домаће подлоге је мањи од 50%, а различити фактори доводе до високих цена подлоге и епитаксијалног транзистора.
Међутим, састав трошкова уређаја од силицијум карбида и уређаја на бази силицијума је дијаметрално супротан, трошкови подлоге и епитаксије предњег канала чине 47% и 23% целог уређаја, респективно, што укупно износи око 70%, дизајн уређаја, производња и заптивање веза задњег канала чине само 30%, трошкови производње уређаја на бази силицијума углавном су концентрисани у производњи плочица задњег канала око 50%, а трошкови подлоге чине само 7%. Феномен обрнутог ланца вредности индустрије силицијум карбида значи да произвођачи узводних епитаксија подлога имају основно право да говоре, што је кључ за распоред домаћих и страних предузећа.
Са динамичке тачке гледишта на тржишту, смањење трошкова силицијум карбида, поред побољшања процеса сечења и дугих кристала силицијум карбида, значи и повећање величине плочице, што је такође зрео пут развоја полупроводника у прошлости. Подаци компаније Wolfspeed показују да надоградњом силицијум карбидне подлоге са 6 инча на 8 инча, производња квалификованих чипова може се повећати за 80%-90%, што помаже у побољшању приноса. Може смањити комбиноване трошкове по јединици за 50%.
2023. година је позната као „прва година 8-инчног SiC-а“, ове године домаћи и страни произвођачи силицијум карбида убрзавају распоред 8-инчних силицијум карбида, као што је Волфспид уложио 14,55 милијарди америчких долара у проширење производње силицијум карбида, чији је важан део изградња постројења за производњу 8-инчних SiC подлога. Да би се осигурала будућа испорука 200 мм SiC голог метала бројним компанијама; Доместик Тианјуе Адванцед и Тианке Хеда су такође потписали дугорочне уговоре са Инфинеоном за испоруку 8-инчних силицијум карбидних подлога у будућности.
Почев од ове године, силицијум карбид ће се убрзати са 6 инча на 8 инча, Волфспид очекује да ће до 2024. године јединична цена чипа од 8 инча у поређењу са јединичном ценом чипа од 6 инча у 2022. години бити смањена за више од 60%, а пад трошкова ће додатно отворити тржиште примене, указују истраживачки подаци компаније Џи Бонд Консалтинг. Тренутни тржишни удео производа од 8 инча је мањи од 2%, а очекује се да ће тржишни удео порасти на око 15% до 2026. године.
У ствари, стопа пада цене силицијум карбидних подлога може премашити машту многих људи, тренутна тржишна понуда 6-инчних подлога је 4000-5000 јуана/комад, у поређењу са почетком године знатно је пала, очекује се да ће следеће године пасти испод 4000 јуана. Вреди напоменути да су неки произвођачи, како би први освојили тржиште, смањили продајну цену на линију трошкова испод. Отворен је модел рата цена, углавном концентрисан на понуду силицијум карбидних подлога, која је била релативно довољна у области ниског напона, домаћи и страни произвођачи агресивно шире производне капацитете или дозвољавају да се силицијум карбидне подлоге појаве раније него што се замишља.
Време објаве: 19. јануар 2024.