Uvod u silicijev karbid
Silicijev karbid (SiC) je složeni poluvodički materijal sastavljen od ugljika i silicija, koji je jedan od idealnih materijala za izradu uređaja visoke temperature, visoke frekvencije, velike snage i visokog napona. U usporedbi s tradicionalnim silicijevim materijalom (Si), zabranjeni pojas silicijevog karbida je 3 puta veći od silicija. Toplinska vodljivost je 4-5 puta veća od silicija; probojni napon je 8-10 puta veći od silicija; brzina elektronskog zasićenja je 2-3 puta veća od silicija, što zadovoljava potrebe moderne industrije za visokom snagom, visokim naponom i visokom frekvencijom. Uglavnom se koristi za proizvodnju brzih, visokofrekventnih, snažnih i svjetlosno emitirajućih elektroničkih komponenti. Područja primjene uključuju pametne mreže, vozila s novom energijom, fotonaponsku energiju vjetra, 5G komunikaciju itd. Silicijeve karbidne diode i MOSFET-i komercijalno su primijenjeni.
Otpornost na visoke temperature. Širina zabranjenog pojasa silicijevog karbida je 2-3 puta veća od širine silicijevog, elektroni se ne mijenjaju lako na visokim temperaturama i mogu podnijeti više radne temperature, a toplinska vodljivost silicijevog karbida je 4-5 puta veća od silicijeve, što olakšava odvođenje topline uređaja i višu graničnu radnu temperaturu. Otpornost na visoke temperature može značajno povećati gustoću snage uz smanjenje zahtjeva za sustav hlađenja, čineći terminal lakšim i manjim.
Podnosi visoki tlak. Probojna jakost električnog polja silicijevog karbida je 10 puta veća od jakosti silicija, koji može podnijeti više napone i prikladniji je za visokonaponske uređaje.
Visokofrekventni otpor. Silicijev karbid ima zasićenu brzinu pomicanja elektrona dvostruko veću od silicija, što rezultira odsutnošću strujnog repa tijekom procesa isključivanja, što može učinkovito poboljšati frekvenciju preklapanja uređaja i ostvariti minijaturizaciju uređaja.
Niski gubici energije. U usporedbi sa silicijevim materijalom, silicijev karbid ima vrlo nizak otpor uključenja i niske gubitke uključenja. Istovremeno, velika širina zabranjenog pojasa silicijevog karbida uvelike smanjuje struju curenja i gubitak snage. Osim toga, silicijev karbidni uređaj nema fenomen zaostajanja struje tijekom procesa isključivanja, a gubici pri preklapanju su niski.
Industrijski lanac silicij-karbida
Uglavnom uključuje podlogu, epitaksiju, dizajn uređaja, proizvodnju, brtvljenje i tako dalje. Silicijev karbid od materijala do poluvodičkog uređaja za napajanje proći će kroz procese rasta monokristala, rezanja ingota, epitaksijalnog rasta, dizajna pločice, proizvodnje, pakiranja i drugih procesa. Nakon sinteze praha silicijevog karbida, prvo se izrađuje ingot silicijevog karbida, zatim se podloga silicijevog karbida dobiva rezanjem, brušenjem i poliranjem, a epitaksijalni list se dobiva epitaksijalnim rastom. Epitaksijalna pločica izrađuje se od silicijevog karbida litografijom, jetkanjem, ionskom implantacijom, pasivizacijom metala i drugim procesima, pločica se reže u matricu, uređaj se pakira, a uređaj se kombinira u posebnu ljusku i sastavlja u modul.
Uzvodno u industrijskom lancu 1: rast supstrata - kristala je ključna procesna karika
Silicij-karbidna podloga čini oko 47% troškova silicij-karbidnih uređaja, najviše proizvodne tehničke barijere, najveća vrijednost, jezgra je buduće velike industrijalizacije SiC-a.
S gledišta razlika u elektrokemijskim svojstvima, materijali silicij-karbidnih podloga mogu se podijeliti na vodljive podloge (područje otpora 15~30mΩ·cm) i poluizolirane podloge (otpor veći od 105Ω·cm). Ove dvije vrste podloga koriste se za izradu diskretnih uređaja kao što su energetski uređaji i radiofrekvencijski uređaji nakon epitaksijalnog rasta. Među njima, poluizolirana silicij-karbidna podloga uglavnom se koristi u proizvodnji RF uređaja od galijevog nitrida, fotoelektričnih uređaja i tako dalje. Rastom gan epitaksijalnog sloja na poluizoliranoj SIC podlozi priprema se sic epitaksijalna ploča, koja se dalje može pripremiti u HEMT gan izo-nitridne RF uređaje. Vodljiva silicij-karbidna podloga uglavnom se koristi u proizvodnji energetskih uređaja. Za razliku od tradicionalnog procesa proizvodnje silicijskih energetskih uređaja, silicijev karbidni energetski uređaj ne može se izravno izraditi na silicijev karbidnoj podlozi, epitaksijalni sloj silicijevog karbida mora se uzgojiti na vodljivoj podlozi kako bi se dobio silicijev karbidni epitaksijalni sloj, a epitaksijalni sloj se proizvodi na Schottky diodi, MOSFET-u, IGBT-u i drugim energetskim uređajima.
Prah silicijevog karbida sintetiziran je iz praha ugljika visoke čistoće i praha silicija visoke čistoće, a različite veličine ingota silicijevog karbida uzgojene su pod posebnim temperaturnim poljem, a zatim je podloga silicijevog karbida proizvedena kroz više procesa obrade. Osnovni proces uključuje:
Sinteza sirovine: Visokočistoća silicijeva praška i toner miješaju se prema formuli, a reakcija se provodi u reakcijskoj komori pod uvjetima visoke temperature iznad 2000°C kako bi se sintetizirale čestice silicijevog karbida sa specifičnim tipom kristala i veličinom čestica. Zatim se kroz drobljenje, prosijavanje, čišćenje i druge procese zadovoljavaju zahtjevi za visokočistoću sirovine od silicijevog karbidnog praha.
Rast kristala je temeljni proces proizvodnje silicij-karbidne podloge, koji određuje električna svojstva silicij-karbidne podloge. Trenutno su glavne metode rasta kristala fizički prijenos pare (PVT), kemijsko taloženje na visokim temperaturama (HT-CVD) i epitaksija tekuće faze (LPE). Među njima, PVT metoda je trenutno glavna metoda za komercijalni rast SiC podloge, s najvećom tehničkom zrelošću i najšire korištena u inženjerstvu.
Priprema SiC supstrata je teška, što dovodi do njegove visoke cijene
Kontrola temperaturnog polja je teška: za rast Si kristalnih šipki potrebno je samo 1500 ℃, dok se SiC kristalne šipke moraju uzgajati na visokoj temperaturi iznad 2000 ℃, a postoji više od 250 SiC izomera, ali glavna 4H-SiC monokristalna struktura za proizvodnju energetskih uređaja, ako se ne kontrolira precizno, dobit će druge kristalne strukture. Osim toga, temperaturni gradijent u lončiću određuje brzinu prijenosa sublimacije SiC-a te raspored i način rasta plinovitih atoma na kristalnoj granici, što utječe na brzinu rasta kristala i kvalitetu kristala, pa je potrebno formirati sustavnu tehnologiju kontrole temperaturnog polja. U usporedbi s Si materijalima, razlika u proizvodnji SiC-a je i u visokotemperaturnim procesima kao što su implantacija iona na visokoj temperaturi, oksidacija na visokoj temperaturi, aktivacija na visokoj temperaturi i proces tvrde maske koji zahtijevaju ovi visokotemperaturni procesi.
Spori rast kristala: brzina rasta silicijeve kristalne šipke može doseći 30 ~ 150 mm/h, a proizvodnja silicijeve kristalne šipke od 1-3 m traje samo oko 1 dan; na primjer, SiC kristalna šipka dobivena PVT metodom ima brzinu rasta od oko 0,2-0,4 mm/h, a za 7 dana naraste manje od 3-6 cm, što je manje od 1% silicijskog materijala, a proizvodni kapacitet je izuzetno ograničen.
Visoki parametri produkta i nizak prinos: ključni parametri SiC supstrata uključuju gustoću mikrotubula, gustoću dislokacija, otpornost, savijanje, hrapavost površine itd. Složen je sustavni inženjering za raspoređivanje atoma u zatvorenoj komori visoke temperature i dovršetak rasta kristala, uz kontrolu indeksa parametara.
Materijal ima visoku tvrdoću, visoku krhkost, dugo vrijeme rezanja i visoku otpornost na habanje: Mohsova tvrdoća SiC-a od 9,25 je druga odmah iza dijamanta, što dovodi do značajnog povećanja težine rezanja, brušenja i poliranja, a potrebno je otprilike 120 sati za rezanje 35-40 komada ingota debljine 3 cm. Osim toga, zbog visoke krhkosti SiC-a, habanje pri obradi pločice bit će veće, a omjer izlaza je samo oko 60%.
Trend razvoja: Povećanje veličine + smanjenje cijene
Globalno tržište SiC-a, gdje se proizvodne linije od 6 inča razvijaju, a vodeće tvrtke ušle su na tržište od 8 inča. Domaći razvojni projekti uglavnom su usmjereni na 6 inča. Iako se većina domaćih tvrtki i dalje temelji na proizvodnim linijama od 4 inča, industrija se postupno širi na 6 inča. Sa zrelošću tehnologije prateće opreme za 6 inča, domaća tehnologija SiC podloge također se postupno poboljšava, što će se odraziti na ekonomije razmjera velikih proizvodnih linija, a trenutni vremenski razmak između domaće masovne proizvodnje od 6 inča smanjio se na 7 godina. Veća veličina pločice može dovesti do povećanja broja pojedinačnih čipova, poboljšanja stope prinosa i smanjenja udjela rubnih čipova, a troškovi istraživanja i razvoja te gubitak prinosa održat će se na oko 7%, čime se poboljšava iskorištenost pločice.
Još uvijek postoje mnoge poteškoće u dizajnu uređaja
Komercijalizacija SiC dioda postupno se poboljšava, trenutno je niz domaćih proizvođača dizajnirao SiC SBD proizvode, srednjenaponski i visokonaponski SiC SBD proizvodi imaju dobru stabilnost, a u vozilima OBC, korištenje SiC SBD+SI IGBT-a postiže stabilnu gustoću struje. Trenutno nema prepreka u patentnom dizajnu SiC SBD proizvoda u Kini, a jaz sa stranim zemljama je mali.
SiC MOS još uvijek ima mnogo poteškoća, još uvijek postoji jaz između SiC MOS-a i inozemnih proizvođača, a relevantna proizvodna platforma je još uvijek u izgradnji. Trenutno su ST, Infineon, Rohm i drugi 600-1700V SiC MOS postigli masovnu proizvodnju te potpisali i isporučili s mnogim proizvodnim industrijama, dok je trenutni domaći dizajn SiC MOS-a u osnovi dovršen, brojni proizvođači dizajna surađuju s tvornicama u fazi toka pločica, a kasnija provjera od strane kupaca još uvijek zahtijeva neko vrijeme, tako da je još uvijek dugo vremena do komercijalizacije velikih razmjera.
Trenutno je planarna struktura glavni izbor, a rovasti tip će se u budućnosti široko koristiti u području visokog tlaka. Proizvođači SiC MOS-a s planarnom strukturom su mnogi, planarna struktura ne uzrokuje probleme s lokalnim probojem u usporedbi s utorima, što utječe na stabilnost rada. Na tržištu ispod 1200 V ima širok raspon primjene, a planarna struktura je relativno jednostavna u proizvodnji, zadovoljavajući dva aspekta proizvodnosti i kontrole troškova. Uređaj s utorima ima prednosti izuzetno niske parazitske induktivnosti, velike brzine prebacivanja, niskih gubitaka i relativno visokih performansi.
2--Vijesti o SiC pločicama
Rast proizvodnje i prodaje na tržištu silicijevog karbida, obratite pozornost na strukturnu neravnotežu između ponude i potražnje
S brzim rastom tržišne potražnje za visokofrekventnom i visokoenergetskom energetskom elektronikom, fizičko ograničenje uskog grla poluvodičkih uređaja na bazi silicija postupno je postalo istaknuto, a poluvodički materijali treće generacije, predstavljeni silicijevim karbidom (SiC), postupno su postali industrijalizirani. S gledišta performansi materijala, silicijev karbid ima 3 puta veću širinu zabranjenog pojasa od silicijevog materijala, 10 puta veću kritičnu jakost električnog polja proboja i 3 puta veću toplinsku vodljivost, pa su silicijev-karbidni energetski uređaji prikladni za visokofrekventne, visokotlačne, visokotemperaturne i druge primjene, pomažući u poboljšanju učinkovitosti i gustoće snage energetskih elektroničkih sustava.
Trenutno su se SiC diode i SiC MOSFET-i postupno pojavili na tržištu, a postoje i zreliji proizvodi, među kojima se SiC diode u nekim područjima široko koriste umjesto dioda na bazi silicija jer nemaju prednost obrnutog obnavljanja punjenja; SiC MOSFET se također postupno koristi u automobilskoj industriji, skladištenju energije, punjenju, fotonaponskim sustavima i drugim područjima; U području automobilskih primjena trend modularizacije postaje sve istaknutiji, a vrhunske performanse SiC-a moraju se oslanjati na napredne procese pakiranja kako bi se postigle, tehnički s relativno zrelim brtvljenjem ljuske kao glavnim trendom, budućnost ili razvoj plastičnog brtvljenja, njegove prilagođene razvojne karakteristike su prikladnije za SiC module.
Brzina pada cijene silicijevog karbida ili nešto izvan mašte
Primjena silicij-karbidnih uređaja uglavnom je ograničena visokom cijenom. Cijena SiC MOSFET-a na istoj razini je 4 puta veća od cijene Si IGBT-a. To je zato što je proces proizvodnje silicij-karbida složen, u kojem rast monokristala i epitaksijalne strukture nije samo štetan za okoliš, već je i stopa rasta spora, a obrada monokristala u podlogu mora proći kroz proces rezanja i poliranja. Zbog vlastitih karakteristika materijala i nezrele tehnologije obrade, prinos domaće podloge je manji od 50%, a različiti čimbenici dovode do visokih cijena podloge i epitaksijalne strukture.
Međutim, sastav troškova uređaja od silicijevog karbida i uređaja na bazi silicija je dijametralno suprotan, troškovi podloge i epitaksijalnog sustava prednjeg kanala čine 47% odnosno 23% ukupnog uređaja, što ukupno iznosi oko 70%, dok dizajn uređaja, proizvodnja i brtvljenje stražnjeg kanala čine samo 30%, dok je proizvodni trošak uređaja na bazi silicija uglavnom koncentriran u proizvodnji pločica stražnjeg kanala oko 50%, a trošak podloge čini samo 7%. Fenomen obrnutog vrijednosnog lanca industrije silicijevog karbida znači da proizvođači epitaksijalnih sustava uzvodno imaju glavno pravo govoriti, što je ključ rasporeda domaćih i stranih poduzeća.
S dinamičkog gledišta na tržištu, smanjenje troškova silicijevog karbida, uz poboljšanje procesa rezanja i dugih kristala silicijevog karbida, znači i proširenje veličine pločice, što je u prošlosti bio i zreli put razvoja poluvodiča. Podaci Wolfspeeda pokazuju da se nadogradnjom silicijevog karbidnog supstrata sa 6 inča na 8 inča, proizvodnja kvalificiranih čipova može povećati za 80%-90%, što pomaže u poboljšanju prinosa. Kombinirani trošak po jedinici može se smanjiti za 50%.
2023. godina poznata je kao "prva godina 8-inčnog SiC-a", ove godine domaći i strani proizvođači silicijevog karbida ubrzavaju postavljanje 8-inčnih silicijevih karbida, poput Wolfspeedovog ludog ulaganja od 14,55 milijardi američkih dolara za proširenje proizvodnje silicijevog karbida, a važan dio toga je izgradnja tvornice za proizvodnju 8-inčnih SiC podloga. Kako bi se osigurala buduća opskrba 200 mm golog metala SiC-a brojnim tvrtkama, Domestic Tianyue Advanced i Tianke Heda također su potpisali dugoročne ugovore s Infineonom za buduću opskrbu 8-inčnim silicijevim karbidnim podlogama.
Počevši od ove godine, silicijev karbid će se ubrzati sa 6 inča na 8 inča, Wolfspeed očekuje da će se do 2024. godine cijena jediničnog čipa od 8 inča u usporedbi s cijenom jediničnog čipa od 6 inča u 2022. godini smanjiti za više od 60%, a pad troškova dodatno će otvoriti tržište primjene, ističu istraživački podaci Ji Bond Consultinga. Trenutni tržišni udio proizvoda od 8 inča manji je od 2%, a očekuje se da će tržišni udio porasti na oko 15% do 2026. godine.
Zapravo, stopa pada cijene silicij-karbidne podloge mogla bi premašiti maštu mnogih ljudi. Trenutna tržišna ponuda 6-inčne podloge iznosi 4000-5000 juana/komad, što je znatno niže u usporedbi s početkom godine, a očekuje se da će sljedeće godine pasti ispod 4000 juana. Vrijedi napomenuti da su neki proizvođači, kako bi prvi osvojili tržište, smanjili prodajnu cijenu na nižu razinu troškova. Otvorio se model cjenovnog rata, uglavnom koncentriran na ponudu silicij-karbidne podloge u području niskog napona, dok domaći i strani proizvođači agresivno proširuju proizvodne kapacitete ili dopuštaju da se silicij-karbidna podloga ranije razvije u prenaponu.
Vrijeme objave: 19. siječnja 2024.