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, мощных 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 выше, чем у кремния; Напряжение пробоя в 8-10 раз больше, чем у кремния; Скорость дрейфа электронного насыщения в 2-3 раза выше, чем у кремния, что удовлетворяет потребности современной промышленности в высокой мощности, высоком напряжении и высокой частоте. В основном он используется для производства высокоскоростных, высокочастотных, мощных и светоизлучающих электронных компонентов. Области последующих применений включают интеллектуальные сети, новые энергетические транспортные средства, фотоэлектрическую ветроэнергетику, связь 5G и т. д. Карбидокремниевые диоды и МОП-транзисторы нашли коммерческое применение.
Высокая термостойкость. Ширина запрещенной зоны карбида кремния в 2-3 раза больше, чем у кремния, электроны не легко 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 отвод тепла устройством и повышает предельную рабочую температуру. Устойчивость к высоким температурам может значительно увеличить удельную мощность, одновременно снижая требования к системе охлаждения, делая терминал легче и меньше.
Выдерживать высокое давление. Напряженность электрического поля пробоя карбида кремния в 10 раз выше, чем у кремния, который выдерживает более высокие напряжения и больше подходит для высоковольтных устройств.
Высокочастотное сопротивление. Карбид кремния имеет скорость дрейфа насыщенных электронов, в два раза превышающую скорость кремния, что приводит к отсутствию затухания тока 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 при включении и низкие потери при включении. 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 отставания тока во время процесса выключения, а потери на переключение низкие.
Сеть предприятий по производству карбида кремния
В основном это включает в себя подложку, эпитаксию, проектирование устройства, производство, герметизацию и так далее. Карбид кремния из материала в полупроводниковое силовое устройство будет подвергаться выращиванию монокристаллов, нарезке слитков, эпитаксиальному росту, проектированию пластин, производству, упаковке и другим процессам. После синтеза порошка карбида кремния сначала изготавливают слиток карбида кремния, затем путем нарезки, шлифования и полировки получают подложку карбида кремния, а эпитаксиальный лист получают путем эпитаксиального выращивания. Эпитаксиальная пластина изготавливается из карбида кремния методами литографии, травления, ионной имплантации, пассивации металла и других процессов, пластина разрезается на матрицу, устройство упаковывается, устройство объединяется в специальную оболочку и собирается в модуль.
Выше по технологической цепочке 1: подложка – рост кристаллов – основное технологическое звено
Подложка из карбида кремния составляет около 47% стоимости устройств из карбида кремния, самые высокие производственные технические барьеры, самая большая ценность, является основой будущей крупномасштабной индустриализации SiC.
С точки зрения различий в электрохимических свойствах материалы подложек 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 типа подложек используются для изготовления дискретных устройств, таких как силовые устройства и радиочастотные устройства, соответственно, после эпитаксиального выращивания. Среди них полуизолированная подложка из карбида кремния в основном используется при производстве радиочастотных устройств из нитрида галлия, фотоэлектрических устройств и так далее. Путем выращивания эпитаксиального слоя гана на полуизолированной подложке SIC получается эпитаксиальная пластина sic, которую в дальнейшем можно превратить в радиочастотные устройства HEMT-изо-нитрид гана. Проводящая подложка из карбида кремния в основном используется при производстве силовых устройств. В отличие от традиционного процесса производства кремниевых силовых устройств, силовое устройство из карбида кремния не может быть изготовлено непосредственно на подложке из карбида кремния, эпитаксиальный слой карбида кремния необходимо выращивать на проводящей подложке, чтобы получить эпитаксиальный лист карбида кремния, а эпитаксиальный слой карбида кремния необходимо выращивать на проводящей подложке. Слой изготавливается на диоде Шоттки, MOSFET, IGBT и других силовых устройствах.
Порошок карбида кремния был синтезирован из порошка углерода высокой чистоты и порошка кремния высокой чистоты, а слитки карбида кремния разных размеров выращивались в специальном температурном поле, а затем подложка из карбида кремния была произведена 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 при условиях высокой температуры выше 2000 ° C для синтеза частиц карбида кремния с определенным типом кристаллов и частиц. размер. Затем через дробление, сортировку, очистку и другие процессы, чтобы удовлетворить требования к порошковому сырью карбида кремния высокой чистоты.
Рост кристаллов является основным процессом производства подложек из карбида кремния, который определяет электрические свойства подложки из карбида кремния. В настоящее время основными методами выращивания кристаллов являются физический перенос из паровой фазы (PVT), высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD) и жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ). Среди них метод PVT в настоящее время является основным методом коммерческого выращивания подложек SiC, обладающим самой высокой технической зрелостью и наиболее широко используемым в технике.
Подготовка подложки SiC сложна, что приводит к ее высокой цене.
Контроль температурного поля затруднен: для роста кристаллического стержня Si требуется всего 1500 ℃, тогда как кристаллический стержень SiC необходимо выращивать при высокой температуре выше 2000 ℃, и существует более 250 изомеров SiC, но основная монокристаллическая структура 4H-SiC для производство силовых устройств, если не осуществлять точный контроль, получит другие кристаллические структуры. Кроме того, градиент температуры в тигле определяет скорость сублимационного переноса SiC, а также расположение и режим роста атомов газа на границе раздела кристаллов, что влияет на скорость роста кристаллов и качество кристаллов, поэтому необходимо формировать систематическое температурное поле. технология управления. 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, необходимый для этих высокотемпературных процессов.
Медленный рост кристаллов: скорость роста кристаллического кремниевого стержня может достигать 30 ~ 150 мм/ч, а производство кремниевого кристаллического стержня длиной 1-3 м занимает всего около 1 дня; Кристаллический стержень SiC с использованием метода PVT, например, скорость роста составляет около 0,2-0,4 мм/ч, 7 дней, чтобы вырасти менее 3-6 см, скорость роста составляет менее 1% кремниевого материала, производственная мощность чрезвычайно высока. ограничено.
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 разработка, позволяющая расположить атомы в закрытой высокотемпературной камере и завершить рост кристаллов. при контроле индексов параметров.
Материал обладает высокой твердостью, высокой хрупкостью, длительным временем резания и высоким износом: SiC по твердости по Моосу 9,25 уступает только алмазу, что приводит к значительному увеличению сложности резки, шлифовки и полировки, а время обработки составляет около 120 часов. отрежьте 35-40 кусков слитка толщиной 3 см. Кроме того, из-за высокой хрупкости SiC износ при обработке пластин будет больше, а коэффициент выхода составит всего около 60%.
Тенденция развития: Увеличение размера + снижение цены.
Глобальный рынок SiC по производству 6-дюймовых серийных линий развивается, и ведущие компании вышли на 8-дюймовый рынок. Внутренние проекты развития в основном составляют 6 дюймов. В настоящее время, хотя большинство отечественных компаний по-прежнему базируются на 4-дюймовых производственных линиях, но отрасль постепенно расширяется до 6-дюймовых, с развитием 6-дюймовой технологии вспомогательного оборудования, отечественная технология подложек SiC также постепенно улучшает экономику масштаб крупногабаритных производственных линий будет отражен, и нынешний внутренний 6-дюймовый разрыв во времени массового производства сократился до 7 лет. Больший размер пластины может привести к увеличению количества отдельных чипов, повышению производительности и уменьшению доли краевых чипов, а затраты на исследования и разработки, а также потери выхода будут поддерживаться на уровне около 7%, тем самым улучшая пластину. использование.
При проектировании устройств по-прежнему существует много трудностей.
Коммерциализация SiC-диода постепенно улучшается, в настоящее время ряд отечественных производителей разработали продукты SiC SBD, продукты SiC SBD среднего и высокого напряжения имеют хорошую стабильность, в транспортных средствах OBC использование SiC SBD + SI IGBT для достижения стабильного плотность тока. В настоящее время в Китае нет препятствий для патентной разработки продуктов SiC SBD, а разрыв с зарубежными странами невелик.
SiC MOS по-прежнему сталкивается с множеством трудностей, между SiC MOS и зарубежными производителями все еще существует разрыв, а соответствующая производственная платформа все еще находится в стадии разработки. В настоящее время компании ST, Infineon, Rohm и другие SiC MOS с напряжением 600–1700 В достигли массового производства, подписали контракты и отправили их многим производственным отраслям, в то время как нынешняя отечественная конструкция SiC MOS в основном завершена, ряд производителей конструкций работают с фабриками на Стадия подачи пластин и последующая проверка клиента все еще требуют некоторого времени, поэтому до крупномасштабной коммерциализации еще много времени.
В настоящее время плоская структура является основным выбором, а траншейный тип будет широко использоваться в области высокого давления в будущем. Планарная структура. Производителей SiC MOS много, плоская структура не легко вызывает локальные проблемы с пробой по сравнению с канавкой, что влияет на стабильность работы, на рынке ниже 1200 В имеет широкий диапазон применения, а плоская структура относительно простой в производстве, чтобы удовлетворить два аспекта технологичности и контроля затрат. Устройство с канавками имеет такие преимущества, как чрезвычайно низкая паразитная индуктивность, высокая скорость переключения, низкие потери и относительно высокая производительность.
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 рыночного спроса на высокочастотную и мощную силовую электронику узкие места физических пределов полупроводниковых приборов на основе кремния постепенно становятся заметными, и полупроводниковые материалы третьего поколения, представленные карбидом кремния (SiC), постепенно становятся заметными. стать индустриализированными. С точки зрения характеристик материала, карбид кремния имеет в 3 раза большую ширину запрещенной зоны, чем кремниевый материал, в 10 раз большую напряженность электрического поля критического пробоя, в 3 раза большую теплопроводность, поэтому силовые устройства из карбида кремния подходят для высокой частоты, высокого давления, высокая температура и другие применения помогают повысить эффективность и удельную мощность силовых электронных систем.
В настоящее время диоды SiC и МОП-транзисторы SiC постепенно вышли на рынок, и появились более зрелые продукты, среди которых в некоторых областях широко используются диоды SiC вместо диодов на основе кремния, поскольку они не имеют преимущества обратного восстановления заряда; SiC MOSFET также постепенно используется в автомобилестроении, накопителях энергии, зарядных устройствах, фотоэлектрических и других областях; В области автомобильной промышленности тенденция к модульности становится все более заметной, и превосходные характеристики SiC должны зависеть от передовых процессов упаковки, чтобы достичь, технически, относительно зрелого уплотнения корпуса в качестве основного направления, будущего или развития пластиковых уплотнений. , его индивидуальные характеристики разработки больше подходят для модулей SiC.
Скорость падения цен на карбид кремния выходит за рамки воображения
Применение устройств из карбида кремния в основном ограничено высокой стоимостью, цена SiC MOSFET того же уровня в 4 раза выше, чем у IGBT на основе Si, это связано с тем, что процесс производства карбида кремния сложен, при котором рост Монокристалл и эпитаксиал не только вредны для окружающей среды, но и скорость роста низкая, а обработка монокристалла в подложку должна проходить через процесс резки и полировки. Учитывая собственные характеристики материала и незрелую технологию обработки, выход отечественной подложки составляет менее 50%, а различные факторы приводят к высоким ценам на подложку и эпитаксиальную основу.
Однако состав затрат на устройства из карбида кремния и устройства на основе кремния диаметрально противоположный: затраты на подложку и эпитаксиальную часть переднего канала составляют 47% и 23% от всего устройства соответственно, что в сумме составляет около 70%, на проектирование устройства, изготовление и уплотнительные звенья обратного канала составляют всего 30%, себестоимость кремниевых устройств в основном сосредоточена на производстве пластин заднего канала около 50%, а стоимость подложки составляет всего 7%. Феномен ценности перевернутой цепочки промышленности карбида кремния означает, что производители эпитаксии, расположенные выше по течению, имеют основное право говорить, что является ключом к расположению отечественных и зарубежных предприятий.
С динамической точки зрения на рынке снижение стоимости карбида кремния, помимо улучшения процесса нарезки и длинных кристаллов карбида кремния, заключается в расширении размера пластины, что также является зрелым путем развития полупроводников в прошлом. Данные Wolfspeed показывают, что при обновлении подложки из карбида кремния с 6 дюймов до 8 дюймов производство качественных чипов может увеличиться на 80–90% и помочь повысить производительность. Может снизить совокупную стоимость единицы продукции на 50%.
2023 год известен как «первый год 8-дюймового карбида кремния», в этом году отечественные и зарубежные производители карбида кремния ускоряют разработку 8-дюймового карбида кремния, например, сумасшедшие инвестиции Wolfspeed в размере 14,55 миллиардов долларов США для расширения производства карбида кремния, важной частью которого является строительство завода по производству 8-дюймовых подложек SiC, чтобы обеспечить будущие поставки голого металла SiC толщиной 200 мм 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 стоимость единицы чипа 8-дюймовой подложки по сравнению со стоимостью единицы чипа 6-дюймовой подложки в 2022 году снизится более чем на 60%. , а снижение затрат приведет к дальнейшему открытию рынка приложений, указывают данные исследования Ji Bond Consulting. Текущая доля рынка 8-дюймовых продуктов составляет менее 2%, и ожидается, что к 2026 году эта доля вырастет примерно до 15%.
Фактически, темпы снижения цен на подложку 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 она сильно упала. Ожидается, что в следующем году цена 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 в поставки подложек из карбида кремния были относительно достаточными в области низкого напряжения, отечественные и зарубежные производители активно расширяют производственные мощности или допускают избыток подложек из карбида кремния раньше, чем предполагалось.
Время публикации: 19 января 2024 г.