Введение в карбид кремния
Карбид кремния (SiC) — это сложный полупроводниковый материал, состоящий из углерода и кремния, который является одним из идеальных материалов для изготовления высокотемпературных, высокочастотных, высокомощных и высоковольтных устройств. По сравнению с традиционным кремниевым материалом (Si) ширина запрещенной зоны карбида кремния в 3 раза больше, чем у кремния. Теплопроводность в 4-5 раз больше, чем у кремния; Напряжение пробоя в 8-10 раз больше, чем у кремния; Скорость дрейфа электронного насыщения в 2-3 раза больше, чем у кремния, что соответствует потребностям современной промышленности в высокой мощности, высоком напряжении и высокой частоте. Он в основном используется для производства высокоскоростных, высокочастотных, высокомощных и светоизлучающих электронных компонентов. К областям применения в нисходящем направлении относятся интеллектуальные сети, новые энергетические транспортные средства, фотоэлектрическая ветроэнергетика, связь 5G и т. д. Диоды и полевые МОП-транзисторы из карбида кремния нашли коммерческое применение.
Высокая термостойкость. Ширина запрещенной зоны карбида кремния в 2-3 раза больше, чем у кремния, электроны нелегко переходят при высоких температурах и могут выдерживать более высокие рабочие температуры, а теплопроводность карбида кремния в 4-5 раз больше, чем у кремния, что облегчает рассеивание тепла устройства и повышает предельную рабочую температуру. Высокая термостойкость может значительно увеличить плотность мощности, одновременно снижая требования к системе охлаждения, делая терминал легче и меньше.
Выдерживает высокое давление. Прочность электрического поля пробоя карбида кремния в 10 раз выше, чем у кремния, который может выдерживать более высокие напряжения и больше подходит для высоковольтных устройств.
Высокочастотное сопротивление. Карбид кремния имеет насыщенную скорость дрейфа электронов в два раза выше, чем у кремния, что приводит к отсутствию токовых хвостов во время процесса выключения, что может эффективно улучшить частоту переключения устройства и реализовать миниатюризацию устройства.
Низкие потери энергии. По сравнению с кремниевым материалом, карбид кремния имеет очень низкое сопротивление и низкие потери во включенном состоянии. В то же время, большая ширина запрещенной зоны карбида кремния значительно снижает ток утечки и потери мощности. Кроме того, устройство из карбида кремния не имеет явления скольжения тока во время процесса выключения, а потери переключения низкие.
Цепочка производства карбида кремния
В основном это включает в себя подложку, эпитаксию, проектирование устройства, производство, герметизацию и т. д. Карбид кремния от материала до полупроводникового силового устройства будет испытывать рост монокристалла, нарезку слитка, эпитаксиальный рост, проектирование пластины, производство, упаковку и другие процессы. После синтеза порошка карбида кремния сначала изготавливается слиток карбида кремния, а затем подложка карбида кремния получается путем нарезки, шлифовки и полировки, а эпитаксиальный лист получается путем эпитаксиального роста. Эпитаксиальная пластина изготавливается из карбида кремния с помощью литографии, травления, ионной имплантации, пассивации металла и других процессов, пластина разрезается на кристалл, устройство упаковывается, и устройство объединяется в специальную оболочку и собирается в модуль.
Восходящая часть производственной цепочки 1: субстрат - рост кристалла является основным звеном процесса
Подложка из карбида кремния составляет около 47% стоимости устройств из карбида кремния, самые высокие технические барьеры производства, самая большая стоимость, является ядром будущей крупномасштабной индустриализации SiC.
С точки зрения различий электрохимических свойств материалы подложки из карбида кремния можно разделить на проводящие подложки (область удельного сопротивления 15~30 мОм·см) и полуизолированные подложки (удельное сопротивление выше 105 Ом·см). Эти два вида подложек используются для изготовления дискретных устройств, таких как силовые устройства и радиочастотные устройства соответственно после эпитаксиального роста. Среди них полуизолированная подложка из карбида кремния в основном используется в производстве СВЧ-устройств на основе нитрида галлия, фотоэлектрических устройств и так далее. Выращивая эпитаксиальный слой gan на полуизолированной подложке SIC, подготавливается эпитаксиальная пластина sic, которая может быть далее подготовлена в СВЧ-устройства на основе изонитридного gan HEMT. Проводящая подложка из карбида кремния в основном используется в производстве силовых устройств. В отличие от традиционного процесса производства кремниевых силовых устройств, силовое устройство на основе карбида кремния невозможно изготовить непосредственно на подложке из карбида кремния, эпитаксиальный слой карбида кремния необходимо вырастить на проводящей подложке, чтобы получить эпитаксиальный лист карбида кремния, а эпитаксиальный слой изготавливается на диоде Шоттки, МОП-транзисторе, БТИЗ и других силовых устройствах.
Порошок карбида кремния был синтезирован из порошка углерода высокой чистоты и порошка кремния высокой чистоты, и слитки карбида кремния разных размеров были выращены в специальном температурном поле, а затем субстрат карбида кремния был изготовлен с помощью нескольких процессов обработки. Основной процесс включает в себя:
Синтез сырья: порошок кремния высокой чистоты + тонер смешивают в соответствии с формулой, и реакция проводится в реакционной камере в условиях высокой температуры выше 2000°C для синтеза частиц карбида кремния с определенным типом кристалла и размером частиц. Затем через дробление, просеивание, очистку и другие процессы, чтобы удовлетворить требования к сырью порошка карбида кремния высокой чистоты.
Рост кристаллов является основным процессом производства подложек из карбида кремния, который определяет электрические свойства подложек из карбида кремния. В настоящее время основными методами роста кристаллов являются физический перенос паров (PVT), высокотемпературное химическое осаждение паров (HT-CVD) и жидкофазная эпитаксия (LPE). Среди них метод PVT является основным методом коммерческого роста подложек из SiC в настоящее время, с самой высокой технической зрелостью и наиболее широко используемым в технике.
Подготовка подложки SiC сложна, что приводит к ее высокой стоимости.
Управление температурным полем затруднено: рост стержня кристалла Si требует всего 1500 ℃, в то время как стержень кристалла SiC необходимо выращивать при высокой температуре выше 2000 ℃, и существует более 250 изомеров SiC, но основная структура монокристалла 4H-SiC для производства силовых устройств, если не осуществлять точный контроль, получит другие кристаллические структуры. Кроме того, градиент температуры в тигле определяет скорость переноса сублимации SiC и расположение и режим роста газообразных атомов на границе кристалла, что влияет на скорость роста кристалла и качество кристалла, поэтому необходимо сформировать систематическую технологию управления температурным полем. По сравнению с материалами Si, разница в производстве SiC также заключается в высокотемпературных процессах, таких как высокотемпературная ионная имплантация, высокотемпературное окисление, высокотемпературная активация и процесс жесткой маски, требуемый этими высокотемпературными процессами.
Медленный рост кристаллов: скорость роста стержня кристалла Si может достигать 30 ~ 150 мм/ч, а производство стержня кристалла кремния длиной 1-3 м занимает всего около 1 дня; например, для стержня кристалла SiC, полученного методом PVT, скорость роста составляет около 0,2-0,4 мм/ч, 7 дней требуется для роста менее 3-6 см, скорость роста составляет менее 1% от материала кремния, производственные мощности крайне ограничены.
Высокие параметры продукта и низкий выход: основные параметры подложки SiC включают плотность микротрубочек, плотность дислокаций, удельное сопротивление, коробление, шероховатость поверхности и т. д. Это сложная системная инженерия для размещения атомов в закрытой высокотемпературной камере и завершения роста кристалла, при этом контролируя индексы параметров.
Материал обладает высокой твердостью, высокой хрупкостью, длительным временем резки и высоким износом: твердость SiC по шкале Мооса 9,25 уступает только алмазу, что приводит к значительному увеличению сложности резки, шлифовки и полировки, и для резки 35-40 частей слитка толщиной 3 см требуется около 120 часов. Кроме того, из-за высокой хрупкости SiC износ при обработке пластин будет больше, а выход составляет всего около 60%.
Тенденция развития: Увеличение размера + снижение цены
Линия по производству 6-дюймовых объемов на мировом рынке SiC созревает, и ведущие компании вышли на рынок 8 дюймов. Внутренние проекты по разработке в основном 6 дюймов. В настоящее время, хотя большинство отечественных компаний по-прежнему базируются на 4-дюймовых производственных линиях, но отрасль постепенно расширяется до 6 дюймов, с развитием технологии вспомогательного оборудования 6 дюймов внутренняя технология подложек SiC также постепенно улучшается, что отражает экономию масштаба крупногабаритных производственных линий, и текущий разрыв во времени массового производства 6 дюймов внутри страны сократился до 7 лет. Больший размер пластины может привести к увеличению количества отдельных чипов, улучшить выход годных и снизить долю краевых чипов, а затраты на исследования и разработки и потери выхода будут поддерживаться на уровне около 7%, тем самым улучшая использование пластин.
В конструкции устройства все еще много трудностей
Коммерциализация диодов SiC постепенно улучшается, в настоящее время ряд отечественных производителей разработали продукты SiC SBD, продукты SiC SBD среднего и высокого напряжения обладают хорошей стабильностью, в OBC транспортного средства использование SiC SBD+SI IGBT для достижения стабильной плотности тока. В настоящее время в Китае нет никаких барьеров в патентном проектировании продуктов SiC SBD, и разрыв с зарубежными странами невелик.
SiC MOS все еще имеет много трудностей, все еще существует разрыв между SiC MOS и зарубежными производителями, и соответствующая производственная платформа все еще находится в стадии разработки. В настоящее время ST, Infineon, Rohm и другие 600-1700 В SiC MOS достигли массового производства и подписали контракты и поставляются многим производственным отраслям, в то время как текущая внутренняя разработка SiC MOS в основном завершена, ряд производителей конструкций работают с фабриками на этапе потока пластин, а последующая проверка заказчиком все еще требует некоторого времени, поэтому до крупномасштабной коммерциализации еще много времени.
В настоящее время планарная структура является основным выбором, а траншейный тип широко используется в области высокого давления в будущем. Производители планарных структур SiC MOS многочисленны, планарная структура нелегко создает проблемы локального пробоя по сравнению с канавкой, что влияет на стабильность работы, на рынке ниже 1200 В имеет широкий диапазон значений приложений, а планарная структура относительно проста в изготовлении, чтобы соответствовать двум аспектам технологичности и контроля затрат. Устройство с канавкой имеет преимущества чрезвычайно низкой паразитной индуктивности, быстрой скорости переключения, низких потерь и относительно высокой производительности.
2--Новости о пластинах SiC
Рост производства и продаж на рынке карбида кремния, обратите внимание на структурный дисбаланс между спросом и предложением
С быстрым ростом спроса на рынке высокочастотной и мощной силовой электроники, физическое ограничение полупроводниковых приборов на основе кремния постепенно стало очевидным, и полупроводниковые материалы третьего поколения, представленные карбидом кремния (SiC), постепенно стали индустриальными. С точки зрения эксплуатационных характеристик материала, карбид кремния имеет в 3 раза большую ширину запрещенной зоны, чем кремниевый материал, в 10 раз большую критическую напряженность электрического поля пробоя, в 3 раза большую теплопроводность, поэтому силовые приборы на основе карбида кремния подходят для высокочастотных, высокотемпературных и других применений, помогают повысить эффективность и плотность мощности силовых электронных систем.
В настоящее время SiC-диоды и SiC-MOSFET постепенно выходят на рынок, и существуют более зрелые продукты, среди которых SiC-диоды широко используются вместо кремниевых диодов в некоторых областях, поскольку они не обладают преимуществом обратного восстановления заряда; SiC-MOSFET также постепенно используются в автомобильной промышленности, накоплении энергии, зарядных батареях, фотоэлектрических и других областях; В области автомобильных применений тенденция к модуляризации становится все более заметной, превосходные характеристики SiC должны полагаться на передовые процессы упаковки для достижения, технически с относительно зрелой герметизацией оболочки в качестве основного направления, будущего или разработки пластиковой герметизации, ее индивидуальные характеристики разработки больше подходят для модулей SiC.
Скорость снижения цен на карбид кремния или за гранью воображения
Применение устройств из карбида кремния в основном ограничивается высокой стоимостью, цена SiC MOSFET при том же уровне в 4 раза выше, чем у IGBT на основе Si, это связано с тем, что процесс карбида кремния сложен, в котором рост монокристалла и эпитаксиальный не только суров для окружающей среды, но и скорость роста медленная, а обработка монокристалла в подложку должна проходить через процесс резки и полировки. Исходя из собственных характеристик материала и незрелой технологии обработки, выход отечественной подложки составляет менее 50%, и различные факторы приводят к высоким ценам на подложку и эпитаксиальный.
Однако структура затрат на устройства из карбида кремния и устройства на основе кремния диаметрально противоположна, затраты на подложку и эпитаксию переднего канала составляют 47% и 23% от всего устройства соответственно, что в сумме составляет около 70%, проектирование устройства, изготовление и герметизация связей заднего канала составляют всего 30%, себестоимость производства устройств на основе кремния в основном сосредоточена на изготовлении пластин заднего канала около 50%, а стоимость подложки составляет всего 7%. Феномен перевернутой цепочки стоимости промышленности карбида кремния означает, что производители эпитаксии подложки выше по течению имеют основное право голоса, что является ключом к планировке отечественных и зарубежных предприятий.
С точки зрения динамики рынка, снижение стоимости карбида кремния, в дополнение к улучшению длинных кристаллов и процесса нарезки карбида кремния, заключается в увеличении размера пластины, что также является зрелым путем развития полупроводников в прошлом, данные Wolfspeed показывают, что обновление подложки карбида кремния с 6 дюймов до 8 дюймов, квалифицированное производство чипов может увеличиться на 80% -90% и помочь повысить выход. Может снизить совокупную стоимость единицы продукции на 50%.
2023 год известен как «первый год 8-дюймового SiC», в этом году отечественные и зарубежные производители карбида кремния ускоряют разработку 8-дюймового карбида кремния, например, Wolfspeed инвестировала сумасшедшие 14,55 млрд долларов США в расширение производства карбида кремния, важной частью которого является строительство завода по производству 8-дюймовых подложек из SiC. Чтобы обеспечить будущие поставки 200-мм голого металла из SiC ряду компаний; Domestic Tianyue Advanced и Tianke Heda также подписали долгосрочные соглашения с Infineon на поставку 8-дюймовых подложек из карбида кремния в будущем.
Начиная с этого года, карбид кремния ускорится с 6 дюймов до 8 дюймов, Wolfspeed ожидает, что к 2024 году себестоимость единицы чипа 8-дюймовой подложки по сравнению со стоимостью единицы чипа 6-дюймовой подложки в 2022 году будет снижена более чем на 60%, а снижение стоимости еще больше откроет рынок приложений, указывают данные исследования Ji Bond Consulting. Текущая доля рынка 8-дюймовых продуктов составляет менее 2%, и ожидается, что доля рынка вырастет примерно до 15% к 2026 году.
На самом деле, темпы снижения цен на подложки из карбида кремния могут превзойти воображение многих людей, текущее рыночное предложение 6-дюймовой подложки составляет 4000-5000 юаней за штуку, по сравнению с началом года значительно упало, ожидается, что в следующем году упадет ниже 4000 юаней, стоит отметить, что некоторые производители, чтобы получить первый рынок, снизили цену продажи до линии себестоимости ниже, открыли модель ценовой войны, в основном сосредоточенной на поставках подложек из карбида кремния, было относительно достаточно в области низкого напряжения, отечественные и зарубежные производители агрессивно наращивают производственные мощности или допускают переизбыток подложек из карбида кремния раньше, чем предполагалось.
Время публикации: 19 января 2024 г.