Introdución ao carburo de silicio
O carburo de silicio (SiC) é un material semicondutor composto de carbono e silicio, que é un dos materiais ideais para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia e alta tensión. En comparación co material de silicio tradicional (Si), a banda prohibida do carburo de silicio é 3 veces maior que a do silicio. A condutividade térmica é de 4 a 5 veces maior que a do silicio; a tensión de ruptura é de 8 a 10 veces maior que a do silicio; a taxa de deriva de saturación electrónica é de 2 a 3 veces maior que a do silicio, o que satisfai as necesidades da industria moderna de alta potencia, alta tensión e alta frecuencia. Úsase principalmente para a produción de compoñentes electrónicos de alta velocidade, alta frecuencia, alta potencia e emisores de luz. Os campos de aplicación posteriores inclúen redes intelixentes, vehículos de novas enerxías, enerxía eólica fotovoltaica, comunicación 5G, etc. Os díodos e os MOSFET de carburo de silicio aplicáronse comercialmente.
Resistencia a altas temperaturas. A largura da banda prohibida do carburo de silicio é de 2 a 3 veces maior que a do silicio, os electróns non teñen transición fácil a altas temperaturas e poden soportar temperaturas de funcionamento máis elevadas, e a condutividade térmica do carburo de silicio é de 4 a 5 veces maior que a do silicio, o que facilita a disipación da calor do dispositivo e aumenta a temperatura límite de funcionamento. A resistencia a altas temperaturas pode aumentar significativamente a densidade de potencia á vez que reduce os requisitos do sistema de refrixeración, facendo que o terminal sexa máis lixeiro e pequeno.
Resiste alta presión. A intensidade do campo eléctrico de ruptura do carburo de silicio é 10 veces maior que a do silicio, que pode soportar voltaxes máis altas e é máis axeitado para dispositivos de alta tensión.
Resistencia a alta frecuencia. O carburo de silicio ten unha taxa de deriva de electróns saturados o dobre que a do silicio, o que resulta na ausencia de cola de corrente durante o proceso de apagado, o que pode mellorar eficazmente a frecuencia de conmutación do dispositivo e lograr a miniaturización do dispositivo.
Baixa perda de enerxía. En comparación co material de silicio, o carburo de silicio ten unha resistencia e unha perda moi baixas. Ao mesmo tempo, o ancho de banda prohibida elevado do carburo de silicio reduce en gran medida a corrente de fuga e a perda de potencia. Ademais, o dispositivo de carburo de silicio non ten o fenómeno de arrastre de corrente durante o proceso de apagado e a perda de conmutación é baixa.
Cadea industrial do carburo de silicio
Inclúe principalmente o substrato, a epitaxia, o deseño do dispositivo, a fabricación, o selado, etc. O carburo de silicio desde o material ata o dispositivo de alimentación semiconductor experimentará crecemento de monocristal, corte en lingotes, crecemento epitaxial, deseño de obleas, fabricación, empaquetado e outros procesos. Despois da síntese do po de carburo de silicio, primeiro fabrícase o lingote de carburo de silicio e, a continuación, o substrato de carburo de silicio obtense mediante corte, moenda e pulido, e a lámina epitaxial obtense mediante crecemento epitaxial. A oblea epitaxial está feita de carburo de silicio mediante litografía, gravado, implantación de ións, pasivación de metal e outros procesos, a oblea córtase en matriz, o dispositivo empaquetase e o dispositivo combínase nunha carcasa especial e móntase nun módulo.
Augas arriba da cadea industrial 1: substrato - o crecemento cristalino é o elo central do proceso
O substrato de carburo de silicio representa aproximadamente o 47% do custo dos dispositivos de carburo de silicio, as maiores barreiras técnicas de fabricación, o maior valor, é o núcleo da futura industrialización a grande escala do SiC.
Desde a perspectiva das diferenzas nas propiedades electroquímicas, os materiais de substrato de carburo de silicio pódense dividir en substratos condutores (rexión de resistividade 15~30 mΩ·cm) e substratos semiillados (resistividade superior a 105 Ω·cm). Estes dous tipos de substratos utilízanse para fabricar dispositivos discretos como dispositivos de alimentación e dispositivos de radiofrecuencia, respectivamente, despois do crecemento epitaxial. Entre eles, o substrato de carburo de silicio semiillado utilízase principalmente na fabricación de dispositivos RF de nitruro de galio, dispositivos fotoeléctricos, etc. Ao crecer unha capa epitaxial de gan sobre un substrato SIC semiillado, prepárase a placa epitaxial de sic, que se pode preparar posteriormente en dispositivos RF de isonitruro de gan HEMT. O substrato condutor de carburo de silicio utilízase principalmente na fabricación de dispositivos de alimentación. A diferenza do proceso tradicional de fabricación de dispositivos de alimentación de silicio, o dispositivo de alimentación de carburo de silicio non se pode fabricar directamente sobre o substrato de carburo de silicio, a capa epitaxial de carburo de silicio debe crecer sobre o substrato condutor para obter a folla epitaxial de carburo de silicio, e a capa epitaxial fabrícase no díodo Schottky, MOSFET, IGBT e outros dispositivos de alimentación.
O po de carburo de silicio sintetizouse a partir de po de carbono de alta pureza e po de silicio de alta pureza, e cultiváronse lingotes de carburo de silicio de diferentes tamaños baixo un campo de temperatura especial, e despois produciuse un substrato de carburo de silicio mediante múltiples procesos de procesamento. O proceso principal inclúe:
Síntese de materias primas: o po de silicio de alta pureza + o tóner mestúranse segundo a fórmula e a reacción lévase a cabo na cámara de reacción a alta temperatura por riba dos 2000 °C para sintetizar as partículas de carburo de silicio cun tipo de cristal e tamaño de partícula específicos. Despois, mediante procesos de trituración, cribado, limpeza e outros, para cumprir os requisitos das materias primas de po de carburo de silicio de alta pureza.
O crecemento cristalino é o proceso central da fabricación de substratos de carburo de silicio, que determina as propiedades eléctricas do substrato. Na actualidade, os principais métodos para o crecemento cristalino son a transferencia física de vapor (PVT), a deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) e a epitaxia en fase líquida (LPE). Entre eles, o método PVT é o método principal para o crecemento comercial de substratos de SiC na actualidade, coa maior madurez técnica e o máis utilizado na enxeñaría.
A preparación do substrato de SiC é difícil, o que leva ao seu alto prezo
O control do campo de temperatura é difícil: o crecemento de varas de cristal de Si só precisa 1500 ℃, mentres que as varas de cristal de SiC necesitan crecer a unha temperatura alta por riba dos 2000 ℃, e hai máis de 250 isómeros de SiC, pero a principal estrutura monocristalina 4H-SiC para a produción de dispositivos de potencia, se non se controla con precisión, obterá outras estruturas cristalinas. Ademais, o gradiente de temperatura no crisol determina a velocidade de transferencia de sublimación de SiC e a disposición e o modo de crecemento dos átomos gasosos na interface do cristal, o que afecta a velocidade de crecemento do cristal e a calidade do cristal, polo que é necesario formar unha tecnoloxía sistemática de control do campo de temperatura. En comparación cos materiais de Si, a diferenza na produción de SiC tamén reside nos procesos de alta temperatura, como a implantación de ións a alta temperatura, a oxidación a alta temperatura, a activación a alta temperatura e o proceso de máscara dura que requiren estes procesos de alta temperatura.
Crecemento lento do cristal: a taxa de crecemento da varilla de cristal de Si pode alcanzar os 30 ~ 150 mm/h, e a produción de varilla de cristal de silicio de 1-3 m só leva aproximadamente 1 día; varilla de cristal de SiC co método PVT como exemplo, a taxa de crecemento é de aproximadamente 0,2-0,4 mm/h, 7 días para crecer menos de 3-6 cm, a taxa de crecemento é inferior ao 1% do material de silicio, a capacidade de produción é extremadamente limitada.
Parámetros de produto altos e baixo rendemento: os parámetros principais do substrato de SiC inclúen a densidade de microtúbulos, a densidade de dislocacións, a resistividade, a deformación, a rugosidade superficial, etc. É unha enxeñaría de sistemas complexa para organizar os átomos nunha cámara pechada a alta temperatura e completar o crecemento do cristal, controlando ao mesmo tempo os índices dos parámetros.
O material ten alta dureza, alta fraxilidade, longo tempo de corte e alto desgaste: a dureza Mohs do SiC de 9,25 é a segunda só despois do diamante, o que leva a un aumento significativo na dificultade de corte, esmerilado e pulido, e leva aproximadamente 120 horas cortar de 35 a 40 pezas dun lingote de 3 cm de grosor. Ademais, debido á alta fraxilidade do SiC, o desgaste do procesamento das obleas será maior e a taxa de saída é só duns 60 %.
Tendencia de desenvolvemento: aumento do tamaño + diminución do prezo
A liña de produción en volume de 6 polgadas do mercado global de SiC está a madurar e as empresas líderes entraron no mercado de 8 polgadas. Os proxectos de desenvolvemento domésticos céntranse principalmente en 6 polgadas. Na actualidade, aínda que a maioría das empresas nacionais aínda se basean en liñas de produción de 4 polgadas, a industria está a expandirse gradualmente a 6 polgadas. Coa madurez da tecnoloxía de equipos de soporte de 6 polgadas, a tecnoloxía de substratos de SiC domésticos tamén está a mellorar gradualmente, o que reflectirá as economías de escala das liñas de produción de gran tamaño, e a actual brecha de tempo de produción en masa doméstica de 6 polgadas reduciuse a 7 anos. O maior tamaño da oblea pode provocar un aumento no número de chips individuais, mellorar a taxa de rendemento e reducir a proporción de chips de bordo, e o custo da investigación e desenvolvemento e a perda de rendemento manteranse en aproximadamente o 7 %, mellorando así a utilización da oblea.
Aínda hai moitas dificultades no deseño de dispositivos
A comercialización de díodos SiC está mellorando gradualmente. Na actualidade, varios fabricantes nacionais deseñaron produtos SiC SBD. Os produtos SiC SBD de media e alta tensión teñen boa estabilidade. Nos OBC de vehículos, o uso de SiC SBD + SI IGBT permite conseguir unha densidade de corrente estable. Na actualidade, non existen barreiras no deseño de patentes de produtos SiC SBD en China e a diferenza con países estranxeiros é pequena.
Os MOS de SiC aínda teñen moitas dificultades, aínda hai unha brecha entre os MOS de SiC e os fabricantes estranxeiros, e a plataforma de fabricación correspondente aínda está en construción. Na actualidade, ST, Infineon, Rohm e outros MOS de SiC de 600-1700 V acadaron a produción en masa e asinaron e enviaron con moitas industrias manufactureiras, mentres que o deseño nacional actual de MOS de SiC está basicamente completado, varios fabricantes de deseño están a traballar con fábricas na fase de fluxo de obleas, e a verificación posterior do cliente aínda require algún tempo, polo que aínda queda moito tempo para a comercialización a grande escala.
Na actualidade, a estrutura planar é a opción principal, e o tipo de trincheira usarase amplamente no campo de alta presión no futuro. Hai moitos fabricantes de MOS de SiC con estrutura planar, a estrutura planar non produce problemas de avaría local en comparación coa ranura, o que afecta á estabilidade do traballo, no mercado por debaixo de 1200 V ten unha ampla gama de valor de aplicación, e a estrutura planar é relativamente simple no extremo da fabricación, para cumprir cos dous aspectos de fabricabilidade e control de custos. O dispositivo de ranura ten as vantaxes dunha inductancia parasitaria extremadamente baixa, velocidade de conmutación rápida, baixa perda e rendemento relativamente alto.
2--Novidades sobre obleas de SiC
Produción e crecemento das vendas do mercado de carburo de silicio, preste atención ao desequilibrio estrutural entre a oferta e a demanda
Co rápido crecemento da demanda do mercado de electrónica de potencia de alta frecuencia e alta potencia, o colo de botella do límite físico dos dispositivos semicondutores baseados en silicio tornouse gradualmente prominente, e os materiais semicondutores de terceira xeración representados polo carburo de silicio (SiC) industrializáronse gradualmente. Desde o punto de vista do rendemento do material, o carburo de silicio ten 3 veces o ancho de banda prohibida do material de silicio, 10 veces a intensidade do campo eléctrico de ruptura crítica e 3 veces a condutividade térmica, polo que os dispositivos de potencia de carburo de silicio son axeitados para aplicacións de alta frecuencia, alta presión, alta temperatura e outras, axudando a mellorar a eficiencia e a densidade de potencia dos sistemas electrónicos de potencia.
Na actualidade, os díodos SiC e os MOSFET de SiC foron chegando gradualmente ao mercado e hai produtos máis maduros, entre os que os díodos SiC úsanse amplamente en lugar dos díodos baseados en silicio nalgúns campos porque non teñen a vantaxe da carga de recuperación inversa; O MOSFET de SiC tamén se usa gradualmente en automoción, almacenamento de enerxía, pilas de carga, fotovoltaica e outros campos; No campo das aplicacións automotrices, a tendencia á modularización é cada vez máis destacada, o rendemento superior do SiC debe depender de procesos de envasado avanzados para conseguilo, tecnicamente cun selado de carcasa relativamente maduro como corrente principal, o futuro ou o desenvolvemento do selado de plástico, as súas características de desenvolvemento personalizadas son máis axeitadas para os módulos SiC.
Velocidade de caída do prezo do carburo de silicio ou máis alá da imaxinación
A aplicación de dispositivos de carburo de silicio está limitada principalmente polo seu alto custo. O prezo do MOSFET de SiC por debaixo do mesmo nivel é 4 veces maior que o do IGBT baseado en Si. Isto débese a que o proceso do carburo de silicio é complexo, no que o crecemento do monocristal e a epitaxia non só é agresivo para o medio ambiente, senón que tamén a taxa de crecemento é lenta, e o procesamento do monocristal no substrato debe pasar polo proceso de corte e pulido. En función das características do material e da tecnoloxía de procesamento inmatura, o rendemento do substrato doméstico é inferior ao 50 %, e varios factores levan a prezos elevados do substrato e da epitaxia.
Non obstante, a composición de custos dos dispositivos de carburo de silicio e os dispositivos baseados en silicio é diametralmente oposta: os custos do substrato e da epitaxia da canle frontal representan o 47 % e o 23 % de todo o dispositivo, respectivamente, cun total de arredor do 70 %; o deseño, a fabricación e o selado dos dispositivos da canle traseira representan só o 30 %; o custo de produción dos dispositivos baseados en silicio concéntrase principalmente na fabricación de obleas da canle traseira, arredor do 50 %, e o custo do substrato só representa o 7 %. O fenómeno do valor da cadea industrial do carburo de silicio ao revés significa que os fabricantes de epitaxia de substratos augas arriba teñen o dereito fundamental de falar, o que é a clave para o deseño das empresas nacionais e estranxeiras.
Desde o punto de vista dinámico do mercado, a redución do custo do carburo de silicio, ademais de mellorar o proceso de corte e rebanda de cristal longo de carburo de silicio, supón a ampliación do tamaño da oblea, que tamén é o camiño maduro do desenvolvemento de semicondutores no pasado. Os datos de Wolfspeed mostran que a actualización do substrato de carburo de silicio de 6 polgadas a 8 polgadas pode aumentar a produción de chips cualificados entre un 80 % e un 90 %, o que axuda a mellorar o rendemento. Pode reducir o custo unitario combinado nun 50 %.
2023 coñécese como o "primeiro ano do SiC de 8 polgadas". Este ano, os fabricantes nacionais e estranxeiros de carburo de silicio están a acelerar o deseño do carburo de silicio de 8 polgadas, como o investimento tolo de Wolfspeed de 14.550 millóns de dólares estadounidenses para a expansión da produción de carburo de silicio, unha parte importante do cal é a construción dunha planta de fabricación de substratos de SiC de 8 polgadas. Para garantir o futuro subministro de metal espido de SiC de 200 mm a varias empresas, as empresas domésticas Tianyue Advanced e Tianke Heda tamén asinaron acordos a longo prazo con Infineon para subministrar substratos de carburo de silicio de 8 polgadas no futuro.
A partir deste ano, o carburo de silicio acelerará de 6 polgadas a 8 polgadas. Wolfspeed prevé que para 2024 o custo unitario do chip dun substrato de 8 polgadas, en comparación co custo unitario do chip dun substrato de 6 polgadas en 2022, se reduza en máis dun 60 %, e a diminución do custo abrirá aínda máis o mercado das aplicacións, segundo sinalaron os datos de investigación de Ji Bond Consulting. A cota de mercado actual dos produtos de 8 polgadas é inferior ao 2 % e espérase que a cota de mercado aumente ata aproximadamente o 15 % para 2026.
De feito, a taxa de caída do prezo do substrato de carburo de silicio pode superar a imaxinación de moita xente. A oferta actual do mercado de substratos de 6 polgadas é de 4000-5000 yuans/peza, en comparación co comezo do ano, que caeu moito e espérase que caia por debaixo dos 4000 yuans o próximo ano. Cómpre sinalar que algúns fabricantes, para entrar no primeiro mercado, reduciron o prezo de venda ata a liña de custos inferior. Abriron o modelo da guerra de prezos, concentrándose principalmente no subministro de substratos de carburo de silicio, que foi relativamente suficiente no campo da baixa tensión. Os fabricantes nacionais e estranxeiros están a ampliar agresivamente a capacidade de produción ou deixan que a fase de exceso de oferta de substratos de carburo de silicio sexa antes do imaxinado.
Data de publicación: 19 de xaneiro de 2024