Introducció al carbur de silici
El carbur de silici (SiC) és un material semiconductor compost compost de carboni i silici, que és un dels materials ideals per fabricar dispositius d'alta temperatura, alta freqüència, alta potència i alt voltatge.En comparació amb el material de silici tradicional (Si), la bretxa de banda del carbur de silici és 3 vegades la del silici.La conductivitat tèrmica és 4-5 vegades la del silici;La tensió de ruptura és de 8-10 vegades la del silici;La taxa de deriva de saturació electrònica és de 2 a 3 vegades la del silici, que satisfà les necessitats de la indústria moderna d'alta potència, alta tensió i alta freqüència.S'utilitza principalment per a la producció de components electrònics d'alta velocitat, alta freqüència, alta potència i emissió de llum.Els camps d'aplicació aigües avall inclouen xarxes intel·ligents, vehicles d'energia nova, energia eòlica fotovoltaica, comunicació 5G, etc. S'han aplicat comercialment díodes de carbur de silici i MOSFET.
Resistència a altes temperatures.L'amplada de la bretxa de banda del carbur de silici és de 2 a 3 vegades la del silici, els electrons no són fàcils de fer la transició a altes temperatures i poden suportar temperatures de funcionament més altes i la conductivitat tèrmica del carbur de silici és de 4 a 5 vegades la del silici, facilitant la dissipació de calor del dispositiu i augmentant la temperatura de funcionament límit.La resistència a les altes temperatures pot augmentar significativament la densitat de potència alhora que redueix els requisits del sistema de refrigeració, fent que el terminal sigui més lleuger i petit.
Resistir alta pressió.La força del camp elèctric de descomposició del carbur de silici és 10 vegades superior a la del silici, que pot suportar tensions més altes i és més adequat per a dispositius d'alta tensió.
Resistència d'alta freqüència.El carbur de silici té una taxa de deriva d'electrons saturats el doble que la del silici, donant lloc a l'absència de cua de corrent durant el procés d'apagada, que pot millorar eficaçment la freqüència de commutació del dispositiu i realitzar la miniaturització del dispositiu.
Baixa pèrdua d'energia.En comparació amb el material de silici, el carbur de silici té una resistència a l'encesa molt baixa i una baixa pèrdua.Al mateix temps, l'amplada de banda bretxa elevada del carbur de silici redueix molt el corrent de fuga i la pèrdua d'energia.A més, el dispositiu de carbur de silici no té un fenomen de seguiment actual durant el procés d'apagada i la pèrdua de commutació és baixa.
Cadena de la indústria del carbur de silici
Inclou principalment substrat, epitàxia, disseny de dispositius, fabricació, segellat, etc.El carbur de silici des del material fins al dispositiu de potència semiconductor experimentarà un creixement d'un cristall únic, tall de lingot, creixement epitaxial, disseny d'hòsties, fabricació, embalatge i altres processos.Després de la síntesi de pols de carbur de silici, primer es fa el lingot de carbur de silici, i després el substrat de carbur de silici s'obté per tall, mòlta i poliment, i la làmina epitaxial s'obté per creixement epitaxial.L'hòstia epitaxial està feta de carbur de silici mitjançant litografia, gravat, implantació d'ions, passivació metàl·lica i altres processos, l'hòstia es talla en matriu, el dispositiu s'empaqueta i el dispositiu es combina en una carcassa especial i es munta en un mòdul.
Amunt de la cadena de la indústria 1: substrat - creixement del cristall és l'enllaç bàsic del procés
El substrat de carbur de silici representa al voltant del 47% del cost dels dispositius de carbur de silici, les barreres tècniques de fabricació més altes, el valor més gran, és el nucli de la futura industrialització a gran escala de SiC.
Des de la perspectiva de les diferències de propietats electroquímiques, els materials de substrat de carbur de silici es poden dividir en substrats conductors (regió de resistivitat 15 ~ 30 mΩ·cm) i substrats semi-aïllats (resistivitat superior a 105Ω·cm).Aquests dos tipus de substrats s'utilitzen per fabricar dispositius discrets com ara dispositius d'alimentació i dispositius de radiofreqüència, respectivament, després del creixement epitaxial.Entre ells, el substrat de carbur de silici semi-aïllat s'utilitza principalment en la fabricació de dispositius de RF de nitrur de gal·li, dispositius fotoelèctrics, etc.En fer créixer la capa epitaxial gan sobre un substrat SIC semi-aïllat, es prepara la placa epitaxial sic, que es pot preparar encara més en dispositius de RF HEMT gan iso-nitrur.El substrat de carbur de silici conductor s'utilitza principalment en la fabricació de dispositius de potència.A diferència del procés tradicional de fabricació de dispositius de potència de silici, el dispositiu de potència de carbur de silici no es pot fer directament sobre el substrat de carbur de silici, la capa epitaxial de carbur de silici s'ha de fer créixer al substrat conductor per obtenir la làmina epitaxial de carbur de silici i l'epitaxial. La capa es fabrica amb el díode Schottky, MOSFET, IGBT i altres dispositius d'alimentació.
La pols de carbur de silici es va sintetitzar a partir de pols de carboni d'alta puresa i pols de silici d'alta puresa, i es van cultivar diferents mides de lingot de carbur de silici sota un camp de temperatura especial, i després es va produir substrat de carbur de silici mitjançant múltiples processos de processament.El procés bàsic inclou:
Síntesi de matèries primeres: la pols de silici d'alta puresa + tòner es barreja segons la fórmula i la reacció es porta a terme a la cambra de reacció en condicions d'alta temperatura per sobre de 2000 ° C per sintetitzar les partícules de carbur de silici amb un tipus de cristall i partícula específics. mida.A continuació, a través de la trituració, cribratge, neteja i altres processos, per satisfer els requisits de les matèries primeres en pols de carbur de silici d'alta puresa.
El creixement del cristall és el procés bàsic de la fabricació de substrats de carbur de silici, que determina les propietats elèctriques del substrat de carbur de silici.Actualment, els principals mètodes per al creixement de cristalls són la transferència física de vapor (PVT), la deposició química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) i l'epitaxia en fase líquida (LPE).Entre ells, el mètode PVT és el mètode principal per al creixement comercial del substrat de SiC actualment, amb la maduresa tècnica més alta i el més utilitzat en enginyeria.
La preparació del substrat de SiC és difícil, el que comporta el seu alt preu
El control del camp de temperatura és difícil: el creixement de la vareta de cristall de Si només necessita 1500 ℃, mentre que la vareta de cristall de SiC s'ha de conrear a una temperatura elevada per sobre de 2000 ℃, i hi ha més de 250 isòmers de SiC, però l'estructura de cristall únic 4H-SiC principal per a la producció de dispositius de potència, si no és un control precís, obtindrà altres estructures de cristall.A més, el gradient de temperatura al gresol determina la velocitat de transferència de sublimació de SiC i la disposició i el mode de creixement dels àtoms gasosos a la interfície del cristall, que afecta la velocitat de creixement del cristall i la qualitat del cristall, per la qual cosa és necessari formar un camp de temperatura sistemàtic. tecnologia de control.En comparació amb els materials de Si, la diferència en la producció de SiC també es troba en processos d'alta temperatura, com ara la implantació d'ions a alta temperatura, l'oxidació a alta temperatura, l'activació a alta temperatura i el procés de màscara dura requerida per aquests processos d'alta temperatura.
Creixement lent del cristall: la taxa de creixement de la vareta de cristall de Si pot arribar als 30 ~ 150 mm/h, i la producció de vareta de cristall de silici d'1-3 m només triga aproximadament 1 dia;Vareta de cristall de SiC amb mètode PVT com a exemple, la taxa de creixement és d'uns 0,2-0,4 mm / h, 7 dies per créixer menys de 3-6 cm, la taxa de creixement és inferior a l'1% del material de silici, la capacitat de producció és extremadament limitada.
Paràmetres de producte elevats i baix rendiment: els paràmetres bàsics del substrat de SiC inclouen la densitat de microtúbuls, la densitat de dislocació, la resistivitat, la deformació, la rugositat de la superfície, etc. És un sistema complex d'enginyeria per disposar els àtoms en una cambra tancada d'alta temperatura i un creixement complet del cristall. mentre controlen els índexs de paràmetres.
El material té una duresa elevada, una gran fragilitat, un temps de tall llarg i un alt desgast: la duresa de SiC Mohs de 9,25 és la segona només per darrere del diamant, la qual cosa comporta un augment significatiu de la dificultat de tall, mòlta i poliment, i es triguen aproximadament 120 hores a talla 35-40 trossos d'un lingot de 3 cm de gruix.A més, a causa de l'alta fragilitat del SiC, el desgast del processament de les hòsties serà més gran i la relació de sortida és només d'un 60%.
Tendència de desenvolupament: augment de mida + disminució de preu
La línia de producció de volum de 6 polzades del mercat global de SiC està madurant i les empreses líders han entrat al mercat de 8 polzades.Els projectes de desenvolupament nacional són principalment de 6 polzades.En l'actualitat, tot i que la majoria de les empreses nacionals encara es basen en línies de producció de 4 polzades, però la indústria s'està expandint gradualment fins a les 6 polzades, amb la maduresa de la tecnologia d'equips de suport de 6 polzades, la tecnologia domèstica de substrat SiC també està millorant gradualment les economies de Es reflectirà l'escala de línies de producció de gran mida i l'actual bretxa de temps de producció en massa nacional de 6 polzades s'ha reduït a 7 anys.La mida més gran de l'hòstia pot provocar un augment del nombre d'encenalls individuals, millorar la taxa de rendiment i reduir la proporció d'encenalls de vora, i el cost de la investigació i desenvolupament i la pèrdua de rendiment es mantindran al voltant del 7%, millorant així l'hòstia. utilització.
Encara hi ha moltes dificultats en el disseny del dispositiu
La comercialització del díode SiC es millora gradualment, en l'actualitat, diversos fabricants nacionals han dissenyat productes SiC SBD, els productes SiC SBD de mitjana i alta tensió tenen una bona estabilitat, a l'OBC del vehicle, l'ús de SiC SBD + SI IGBT per aconseguir una estabilitat estable. densitat de corrent.Actualment, no hi ha barreres en el disseny de patents de productes SiC SBD a la Xina i la bretxa amb països estrangers és petita.
SiC MOS encara té moltes dificultats, encara hi ha una bretxa entre SiC MOS i els fabricants estrangers, i la plataforma de fabricació corresponent encara està en construcció.En l'actualitat, ST, Infineon, Rohm i altres 600-1700V SiC MOS han aconseguit una producció massiva i han signat i enviat amb moltes indústries manufactureres, mentre que el disseny nacional actual de SiC MOS s'ha completat bàsicament, una sèrie de fabricants de disseny estan treballant amb fabs a l'etapa de flux d'hòsties i la verificació posterior del client encara necessita una mica de temps, de manera que encara queda molt de temps per a la comercialització a gran escala.
Actualment, l'estructura plana és l'opció principal i el tipus de rasa s'utilitza àmpliament en el camp d'alta pressió en el futur.Els fabricants d'estructura plana SiC MOS són molts, l'estructura plana no és fàcil de produir problemes de descomposició local en comparació amb la ranura, afectant l'estabilitat del treball, al mercat per sota de 1200 V té una àmplia gamma de valors d'aplicació i l'estructura plana és relativament senzill en l'extrem de fabricació, per satisfer els dos aspectes de fabricabilitat i control de costos.El dispositiu de ranura té els avantatges d'una inductància parasitària extremadament baixa, velocitat de commutació ràpida, baixa pèrdua i rendiment relativament alt.
2--Notícies de l'hòstia SiC
La producció i el creixement de vendes del mercat de carbur de silici, presteu atenció al desequilibri estructural entre l'oferta i la demanda
Amb el ràpid creixement de la demanda del mercat d'electrònica d'alta freqüència i potència d'alta potència, el coll d'ampolla del límit físic dels dispositius semiconductors basats en silici s'ha convertit gradualment en destacat, i els materials semiconductors de tercera generació representats pel carbur de silici (SiC) s'han anat progressivament. industrialitzar-se.Des del punt de vista del rendiment del material, el carbur de silici té 3 vegades l'amplada de banda del material de silici, 10 vegades la força del camp elèctric de descomposició crítica, 3 vegades la conductivitat tèrmica, de manera que els dispositius de potència de carbur de silici són adequats per a alta freqüència, alta pressió, alta temperatura i altres aplicacions, ajuden a millorar l'eficiència i la densitat de potència dels sistemes electrònics de potència.
Actualment, els díodes SiC i els MOSFET de SiC s'han traslladat gradualment al mercat, i hi ha productes més madurs, entre els quals els díodes SiC s'utilitzen àmpliament en lloc dels díodes basats en silici en alguns camps perquè no tenen l'avantatge de la càrrega de recuperació inversa;SiC MOSFET també s'utilitza gradualment en l'automoció, l'emmagatzematge d'energia, la pila de càrrega, la fotovoltaica i altres camps;En el camp de les aplicacions d'automoció, la tendència de la modularització és cada cop més destacada, el rendiment superior de SiC ha de confiar en processos d'embalatge avançats per aconseguir-ho, tècnicament amb un segellat de closca relativament madur com a corrent principal, el futur o el desenvolupament de segellat de plàstic. , les seves característiques de desenvolupament personalitzades són més adequades per als mòduls SiC.
Velocitat de baixada del preu del carbur de silici o més enllà de la imaginació
L'aplicació de dispositius de carbur de silici està limitada principalment per l'alt cost, el preu del MOSFET de SiC sota el mateix nivell és 4 vegades superior al de l'IGBT basat en Si, això es deu al fet que el procés de carbur de silici és complex, en el qual el creixement de El cristall únic i l'epitaxial no només són durs per al medi ambient, sinó que també la taxa de creixement és lenta i el processament d'un cristall únic al substrat ha de passar pel procés de tall i polit.A partir de les seves pròpies característiques del material i de la tecnologia de processament immadura, el rendiment del substrat domèstic és inferior al 50% i diversos factors condueixen a preus elevats del substrat i de l'epitaxi.
Tanmateix, la composició de costos dels dispositius de carbur de silici i dels dispositius basats en silici és diametralment oposada, els costos de substrat i epitaxis del canal frontal representen el 47% i el 23% de tot el dispositiu respectivament, amb un total d'aproximadament el 70%, el disseny del dispositiu, la fabricació. i els enllaços de segellat del canal posterior només representen el 30%, el cost de producció dels dispositius basats en silici es concentra principalment en la fabricació d'hòsties del canal posterior al voltant del 50% i el cost del substrat només representa el 7%.El fenomen del valor de la cadena de la indústria del carbur de silici al revés significa que els fabricants d'epitaxis de substrats aigües amunt tenen el dret bàsic a parlar, que és la clau per a la disposició de les empreses nacionals i estrangeres.
Des del punt de vista dinàmic del mercat, reduir el cost del carbur de silici, a més de millorar el procés de tall i cristall llarg de carbur de silici, és ampliar la mida de l'hòstia, que també és el camí madur del desenvolupament de semiconductors en el passat, Les dades de Wolfspeed mostren que l'actualització del substrat de carbur de silici de 6 polzades a 8 polzades, la producció de xips qualificada pot augmentar entre un 80% i un 90% i ajudar a millorar el rendiment.Pot reduir el cost unitari combinat en un 50%.
El 2023 es coneix com el "primer any SiC de 8 polzades", aquest any, els fabricants de carbur de silici nacionals i estrangers estan accelerant el disseny de carbur de silici de 8 polzades, com ara la inversió boja de Wolfspeed de 14.550 milions de dòlars nord-americans per a l'expansió de la producció de carbur de silici, una part important de la qual és la construcció d'una planta de fabricació de substrats de SiC de 8 polzades, per garantir el futur subministrament de metall nu de SiC de 200 mm a diverses empreses;Domestic Tianyue Advanced i Tianke Heda també han signat acords a llarg termini amb Infineon per subministrar substrats de carbur de silici de 8 polzades en el futur.
A partir d'aquest any, el carbur de silici s'accelerarà de 6 polzades a 8 polzades, Wolfspeed espera que el 2024, el cost unitari del xip del substrat de 8 polzades en comparació amb el cost unitari del xip del substrat de 6 polzades el 2022 es redueixi en més d'un 60% , i la disminució dels costos obrirà encara més el mercat d'aplicacions, van assenyalar les dades d'investigació de Ji Bond Consulting.La quota de mercat actual dels productes de 8 polzades és inferior al 2% i s'espera que la quota de mercat creixi al voltant del 15% el 2026.
De fet, la taxa de disminució del preu del substrat de carbur de silici pot superar la imaginació de moltes persones, l'oferta actual del mercat de substrat de 6 polzades és de 4000-5000 iuans/peça, en comparació amb el començament de l'any ha caigut molt, és s'espera que caigui per sota dels 4000 iuans l'any vinent, val la pena assenyalar que alguns fabricants, per tal d'aconseguir el primer mercat, han reduït el preu de venda a la línia de costos a continuació, van obrir el model de la guerra de preus, concentrat principalment en el substrat de carbur de silici. El subministrament ha estat relativament suficient en el camp de la baixa tensió, els fabricants nacionals i estrangers estan ampliant de manera agressiva la capacitat de producció o deixen que l'excés d'oferta de substrat de carbur de silici abans del que s'imaginava.
Hora de publicació: 19-gen-2024