Introduzione al carburo di silicio
Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore composto composto da carbonio e silicio, che è uno dei materiali ideali per realizzare dispositivi ad alta temperatura, alta frequenza, alta potenza e alta tensione. Rispetto al tradizionale materiale in silicio (Si), il gap di banda del carburo di silicio è 3 volte quello del silicio. La conducibilità termica è 4-5 volte quella del silicio; La tensione di rottura è 8-10 volte quella del silicio; Il tasso di deriva della saturazione elettronica è 2-3 volte quello del silicio, il che soddisfa le esigenze dell'industria moderna in termini di alta potenza, alta tensione e alta frequenza. Viene utilizzato principalmente per la produzione di componenti elettronici ad alta velocità, alta frequenza, alta potenza e emissione di luce. I campi di applicazione a valle includono la rete intelligente, i veicoli di nuova energia, l'energia eolica fotovoltaica, la comunicazione 5G, ecc. Diodi al carburo di silicio e MOSFET sono stati applicati commercialmente.
Resistenza alle alte temperature. La larghezza del gap di banda del carburo di silicio è 2-3 volte quella del silicio, gli elettroni non sono facili da trasferire alle alte temperature e possono resistere a temperature operative più elevate e la conduttività termica del carburo di silicio è 4-5 volte quella del silicio, facilitando la dissipazione del calore del dispositivo e aumentando la temperatura limite di funzionamento. La resistenza alle alte temperature può aumentare significativamente la densità di potenza riducendo i requisiti del sistema di raffreddamento, rendendo il terminale più leggero e più piccolo.
Resistere all'alta pressione. L'intensità del campo elettrico di rottura del carburo di silicio è 10 volte quella del silicio, che può sopportare tensioni più elevate ed è più adatto per dispositivi ad alta tensione.
Resistenza ad alta frequenza. Il carburo di silicio ha una velocità di deriva degli elettroni saturi doppia rispetto a quella del silicio, con conseguente assenza di scodamento di corrente durante il processo di spegnimento, che può migliorare efficacemente la frequenza di commutazione del dispositivo e realizzare la miniaturizzazione del dispositivo.
Bassa perdita di energia. Rispetto al materiale in silicio, il carburo di silicio ha una resistenza in conduzione molto bassa e una perdita in conduzione ridotta. Allo stesso tempo, l'elevata larghezza di banda del carburo di silicio riduce notevolmente la corrente di dispersione e la perdita di potenza. Inoltre, il dispositivo in carburo di silicio non presenta fenomeni di trascinamento della corrente durante il processo di spegnimento e la perdita di commutazione è bassa.
Filiera del carburo di silicio
Comprende principalmente il substrato, l'epitassia, la progettazione del dispositivo, la produzione, la sigillatura e così via. Il carburo di silicio dal materiale al dispositivo di potenza a semiconduttore subirà la crescita del singolo cristallo, il taglio del lingotto, la crescita epitassiale, la progettazione del wafer, la produzione, l'imballaggio e altri processi. Dopo la sintesi della polvere di carburo di silicio, viene realizzato prima il lingotto di carburo di silicio, quindi il substrato di carburo di silicio viene ottenuto mediante affettatura, molatura e lucidatura, e il foglio epitassiale viene ottenuto mediante crescita epitassiale. Il wafer epitassiale è realizzato in carburo di silicio mediante litografia, incisione, impianto ionico, passivazione del metallo e altri processi, il wafer viene tagliato in una matrice, il dispositivo viene confezionato e il dispositivo viene combinato in un guscio speciale e assemblato in un modulo.
A monte della catena industriale 1: substrato: la crescita dei cristalli è il collegamento principale del processo
Il substrato in carburo di silicio rappresenta circa il 47% del costo dei dispositivi in carburo di silicio, le barriere tecniche di produzione più elevate, il valore più grande, sono il nucleo della futura industrializzazione su larga scala del SiC.
Dal punto di vista delle differenze delle proprietà elettrochimiche, i materiali del substrato in carburo di silicio possono essere suddivisi in substrati conduttivi (regione di resistività 15~30mΩ·cm) e substrati semi-isolati (resistività superiore a 105Ω·cm). Questi due tipi di substrati vengono utilizzati per produrre dispositivi discreti come dispositivi di potenza e dispositivi a radiofrequenza rispettivamente dopo la crescita epitassiale. Tra questi, il substrato semi-isolato in carburo di silicio viene utilizzato principalmente nella produzione di dispositivi RF al nitruro di gallio, dispositivi fotoelettrici e così via. Facendo crescere lo strato epitassiale gan su un substrato SIC semi-isolato, viene preparata la piastra epitassiale sic, che può essere ulteriormente preparata nei dispositivi RF HEMT gan iso-nitruro. Il substrato conduttivo in carburo di silicio viene utilizzato principalmente nella produzione di dispositivi di potenza. Diversamente dal tradizionale processo di produzione del dispositivo di potenza al carburo di silicio, il dispositivo di potenza al carburo di silicio non può essere realizzato direttamente sul substrato di carburo di silicio, lo strato epitassiale di carburo di silicio deve essere cresciuto sul substrato conduttivo per ottenere il foglio epitassiale di carburo di silicio e l'epitassiale strato è prodotto sul diodo Schottky, MOSFET, IGBT e altri dispositivi di potenza.
La polvere di carburo di silicio è stata sintetizzata da polvere di carbonio ad alta purezza e polvere di silicio ad alta purezza, e diverse dimensioni di lingotti di carburo di silicio sono stati coltivati in un campo di temperatura speciale, quindi il substrato di carburo di silicio è stato prodotto attraverso molteplici processi di lavorazione. Il processo principale include:
Sintesi della materia prima: la polvere di silicio ad elevata purezza + toner viene miscelata secondo la formula e la reazione viene eseguita nella camera di reazione in condizioni di alta temperatura superiore a 2000°C per sintetizzare le particelle di carburo di silicio con tipo di cristallo e particella specifici misurare. Quindi attraverso la frantumazione, la vagliatura, la pulizia e altri processi, per soddisfare i requisiti delle materie prime in polvere di carburo di silicio di elevata purezza.
La crescita dei cristalli è il processo principale della produzione del substrato di carburo di silicio, che determina le proprietà elettriche del substrato di carburo di silicio. Attualmente, i principali metodi per la crescita dei cristalli sono il trasferimento fisico del vapore (PVT), la deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HT-CVD) e l'epitassia in fase liquida (LPE). Tra questi, il metodo PVT è attualmente il metodo principale per la crescita commerciale del substrato SiC, con la massima maturità tecnica e il più ampiamente utilizzato in ingegneria.
La preparazione del substrato SiC è difficile, il che porta al suo prezzo elevato
Il controllo della temperatura sul campo è difficile: la crescita della bacchetta di cristallo Si richiede solo 1500 ℃, mentre la bacchetta di cristallo SiC deve essere coltivata ad una temperatura elevata superiore a 2000 ℃ e ci sono più di 250 isomeri SiC, ma la principale struttura monocristallina 4H-SiC per la produzione di dispositivi di potenza, se non un controllo preciso, otterrà altre strutture cristalline. Inoltre, il gradiente di temperatura nel crogiolo determina la velocità di trasferimento della sublimazione del SiC e la disposizione e la modalità di crescita degli atomi gassosi sull'interfaccia del cristallo, che influisce sulla velocità di crescita e sulla qualità dei cristalli, quindi è necessario formare un campo di temperatura sistematico tecnologia di controllo. Rispetto ai materiali Si, la differenza nella produzione di SiC risiede anche nei processi ad alta temperatura come l'impianto ionico ad alta temperatura, l'ossidazione ad alta temperatura, l'attivazione ad alta temperatura e il processo di mascheratura dura richiesto da questi processi ad alta temperatura.
Crescita lenta dei cristalli: il tasso di crescita della bacchetta di cristallo di Si può raggiungere 30 ~ 150 mm/ora e la produzione di bacchette di cristallo di silicio da 1-3 m richiede solo circa 1 giorno; Barra di cristallo SiC con metodo PVT come esempio, il tasso di crescita è di circa 0,2-0,4 mm/h, 7 giorni per crescere meno di 3-6 cm, il tasso di crescita è inferiore all'1% del materiale silicico, la capacità di produzione è estremamente limitato.
Elevati parametri del prodotto e bassa resa: i parametri principali del substrato SiC includono densità di microtubuli, densità di dislocazione, resistività, deformazione, rugosità superficiale, ecc. È un'ingegneria di sistema complessa per disporre gli atomi in una camera chiusa ad alta temperatura e completare la crescita dei cristalli, controllando gli indici dei parametri.
Il materiale ha elevata durezza, elevata fragilità, lungo tempo di taglio ed elevata usura: la durezza SiC Mohs di 9,25 è seconda solo al diamante, il che porta ad un aumento significativo della difficoltà di taglio, molatura e lucidatura, e occorrono circa 120 ore per tagliare 35-40 pezzi di un lingotto di 3 cm di spessore. Inoltre, a causa dell'elevata fragilità del SiC, l'usura durante la lavorazione dei wafer sarà maggiore e il rapporto di uscita sarà solo del 60% circa.
Tendenza di sviluppo: aumento delle dimensioni + diminuzione dei prezzi
La linea di produzione in volume da 6 pollici del mercato globale del SiC sta maturando e aziende leader sono entrate nel mercato da 8 pollici. I progetti di sviluppo interno riguardano principalmente 6 pollici. Allo stato attuale, anche se la maggior parte delle aziende nazionali si basa ancora su linee di produzione da 4 pollici, ma l'industria si sta gradualmente espandendo a 6 pollici, con la maturità della tecnologia delle apparecchiature di supporto da 6 pollici, anche la tecnologia del substrato SiC domestico sta gradualmente migliorando le economie di si rifletterà la scala delle linee di produzione di grandi dimensioni e l’attuale divario temporale per la produzione di massa nazionale da 6 pollici si è ridotto a 7 anni. La dimensione più grande del wafer può comportare un aumento del numero di singoli chip, migliorare il tasso di rendimento e ridurre la percentuale di chip sui bordi, mentre il costo di ricerca e sviluppo e la perdita di rendimento saranno mantenuti a circa il 7%, migliorando così il wafer. utilizzo.
Ci sono ancora molte difficoltà nella progettazione dei dispositivi
La commercializzazione dei diodi SiC sta gradualmente migliorando, attualmente diversi produttori nazionali hanno progettato prodotti SiC SBD, i prodotti SiC SBD a media e alta tensione hanno una buona stabilità, nel veicolo OBC, l'uso di SiC SBD+SI IGBT per ottenere stabilità densità di corrente. Al momento, in Cina non esistono barriere nella progettazione dei brevetti dei prodotti SiC SBD e il divario con i paesi stranieri è ridotto.
Il SiC MOS presenta ancora molte difficoltà, c'è ancora un divario tra il SiC MOS e i produttori esteri e la relativa piattaforma di produzione è ancora in costruzione. Attualmente, ST, Infineon, Rohm e altri MOS SiC da 600-1700 V hanno raggiunto la produzione di massa e firmato e spedito a molte industrie manifatturiere, mentre l'attuale progettazione MOS SiC domestica è stata sostanzialmente completata, diversi produttori di design stanno lavorando con fabbriche a la fase di flusso del wafer e la successiva verifica del cliente richiedono ancora un po' di tempo, quindi manca ancora molto tempo alla commercializzazione su larga scala.
Attualmente, la struttura planare è la scelta principale e in futuro il tipo a trincea sarà ampiamente utilizzato nel campo dell'alta pressione. I produttori di MOS SiC a struttura planare sono molti, la struttura planare non è facile da produrre problemi di rottura locale rispetto alla scanalatura, influenzando la stabilità del lavoro, nel mercato inferiore a 1200 V ha un'ampia gamma di valori applicativi e la struttura planare è relativamente semplice alla fine della produzione, per soddisfare la producibilità e il controllo dei costi due aspetti. Il dispositivo scanalato presenta i vantaggi di un'induttanza parassita estremamente bassa, una velocità di commutazione rapida, una perdita ridotta e prestazioni relativamente elevate.
2--Novità sui wafer SiC
La produzione del mercato del carburo di silicio e la crescita delle vendite, prestare attenzione allo squilibrio strutturale tra domanda e offerta
Con la rapida crescita della domanda del mercato per l'elettronica di potenza ad alta frequenza e ad alta potenza, il collo di bottiglia limite fisico dei dispositivi semiconduttori a base di silicio è gradualmente diventato evidente e i materiali semiconduttori di terza generazione rappresentati dal carburo di silicio (SiC) sono gradualmente diventati evidenti. diventare industrializzati. Dal punto di vista delle prestazioni del materiale, il carburo di silicio ha 3 volte la larghezza del gap di banda del materiale di silicio, 10 volte l'intensità del campo elettrico di rottura critica, 3 volte la conduttività termica, quindi i dispositivi di potenza in carburo di silicio sono adatti per alta frequenza, alta pressione, alte temperature e altre applicazioni, aiutano a migliorare l'efficienza e la densità di potenza dei sistemi elettronici di potenza.
Attualmente, i diodi SiC e i MOSFET SiC si sono gradualmente spostati sul mercato e ci sono prodotti più maturi, tra cui i diodi SiC sono ampiamente utilizzati al posto dei diodi a base di silicio in alcuni campi perché non presentano il vantaggio della carica di recupero inverso; Il MOSFET SiC viene gradualmente utilizzato anche nei settori automobilistico, dello stoccaggio dell'energia, delle pile di ricarica, del fotovoltaico e di altri settori; Nel campo delle applicazioni automobilistiche, la tendenza alla modularizzazione sta diventando sempre più evidente, le prestazioni superiori del SiC devono fare affidamento su processi di imballaggio avanzati per raggiungere, con una sigillatura del guscio relativamente matura come quella tradizionale, il futuro o lo sviluppo della sigillatura in plastica , le sue caratteristiche di sviluppo personalizzate sono più adatte ai moduli SiC.
Il calo dei prezzi del carburo di silicio diminuisce rapidamente o oltre ogni immaginazione
L'applicazione dei dispositivi in carburo di silicio è limitata principalmente dal costo elevato, il prezzo del MOSFET SiC allo stesso livello è 4 volte superiore a quello dell'IGBT a base di Si, questo perché il processo del carburo di silicio è complesso, in cui la crescita di il cristallo singolo ed epitassiale non solo è dannoso per l'ambiente, ma anche il tasso di crescita è lento e la lavorazione del cristallo singolo nel substrato deve passare attraverso il processo di taglio e lucidatura. In base alle caratteristiche del materiale e alla tecnologia di lavorazione immatura, la resa del substrato domestico è inferiore al 50% e vari fattori portano a prezzi elevati del substrato e dell'epitassiale.
Tuttavia, la composizione dei costi dei dispositivi in carburo di silicio e dei dispositivi a base di silicio è diametralmente opposta, i costi del substrato e dell'epitassiale del canale anteriore rappresentano rispettivamente il 47% e il 23% dell'intero dispositivo, per un totale di circa il 70%, la progettazione del dispositivo, la produzione e i collegamenti di tenuta del canale posteriore rappresentano solo il 30%, il costo di produzione dei dispositivi a base di silicio è concentrato principalmente nella produzione di wafer del canale posteriore per circa il 50% e il costo del substrato rappresenta solo il 7%. Il fenomeno del valore della catena industriale del carburo di silicio capovolto significa che i produttori di epitassia del substrato a monte hanno il diritto di parola fondamentale, che è la chiave per il layout delle imprese nazionali ed estere.
Dal punto di vista dinamico del mercato, ridurre il costo del carburo di silicio, oltre a migliorare il processo di cristallo lungo e di affettamento del carburo di silicio, significa espandere le dimensioni del wafer, che è anche il percorso maturo dello sviluppo dei semiconduttori in passato, I dati Wolfspeed mostrano che l'aggiornamento del substrato in carburo di silicio da 6 pollici a 8 pollici, la produzione di chip qualificati può aumentare dell'80%-90% e contribuire a migliorare la resa. Può ridurre il costo unitario combinato del 50%.
Il 2023 è conosciuto come il "primo anno del SiC da 8 pollici", quest'anno i produttori nazionali ed esteri di carburo di silicio stanno accelerando il layout del carburo di silicio da 8 pollici, come il folle investimento di Wolfspeed di 14,55 miliardi di dollari USA per l'espansione della produzione di carburo di silicio, una parte importante del quale è la costruzione di un impianto di produzione di substrati SiC da 8 pollici, per garantire la futura fornitura di metallo nudo SiC da 200 mm a un certo numero di aziende; Domestic Tianyue Advanced e Tianke Heda hanno inoltre firmato accordi a lungo termine con Infineon per la futura fornitura di substrati in carburo di silicio da 8 pollici.
A partire da quest'anno, il carburo di silicio accelererà da 6 pollici a 8 pollici, Wolfspeed prevede che entro il 2024, il costo unitario del chip di substrato da 8 pollici rispetto al costo unitario del chip di substrato da 6 pollici nel 2022 sarà ridotto di oltre il 60% e il calo dei costi aprirà ulteriormente il mercato delle applicazioni, hanno sottolineato i dati della ricerca di Ji Bond Consulting. L’attuale quota di mercato dei prodotti da 8 pollici è inferiore al 2% e si prevede che la quota di mercato crescerà fino a circa il 15% entro il 2026.
In effetti, il tasso di diminuzione del prezzo del substrato in carburo di silicio potrebbe superare l'immaginazione di molte persone, l'attuale offerta di mercato del substrato da 6 pollici è di 4.000-5.000 yuan/pezzo, rispetto all'inizio dell'anno è diminuita notevolmente, è si prevede che l'anno prossimo scenderà sotto i 4.000 yuan, vale la pena notare che alcuni produttori, per ottenere il primo mercato, hanno ridotto il prezzo di vendita alla linea di costo sottostante, aperto il modello della guerra dei prezzi, concentrata principalmente nel carburo di silicio l'offerta di substrati è stata relativamente sufficiente nel campo della bassa tensione, i produttori nazionali ed esteri stanno espandendo in modo aggressivo la capacità produttiva o lasciano che il substrato di carburo di silicio entri in fase di eccesso di offerta prima di quanto immaginato.
Orario di pubblicazione: 19 gennaio 2024