Pengenalan kepada silikon karbida
Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor sebatian yang terdiri daripada karbon dan silikon, yang merupakan salah satu bahan yang sesuai untuk membuat peranti suhu tinggi, frekuensi tinggi, kuasa tinggi dan voltan tinggi.Berbanding dengan bahan silikon tradisional (Si), jurang jalur silikon karbida adalah 3 kali ganda daripada silikon.Kekonduksian terma adalah 4-5 kali ganda daripada silikon;Voltan pecahan adalah 8-10 kali ganda daripada silikon;Kadar hanyutan tepu elektronik adalah 2-3 kali ganda daripada silikon, yang memenuhi keperluan industri moden untuk kuasa tinggi, voltan tinggi dan frekuensi tinggi.Ia digunakan terutamanya untuk pengeluaran komponen elektronik berkelajuan tinggi, frekuensi tinggi, berkuasa tinggi dan pemancar cahaya.Medan aplikasi hiliran termasuk grid pintar, kenderaan tenaga baharu, kuasa angin fotovoltaik, komunikasi 5G, dsb. Diod silikon karbida dan MOSFET telah digunakan secara komersial.
Rintangan suhu tinggi.Lebar jurang jalur silikon karbida adalah 2-3 kali ganda daripada silikon, elektron tidak mudah untuk beralih pada suhu tinggi, dan boleh menahan suhu operasi yang lebih tinggi, dan kekonduksian haba silikon karbida adalah 4-5 kali ganda daripada silikon, menjadikan pelesapan haba peranti lebih mudah dan had suhu operasi lebih tinggi.Rintangan suhu tinggi boleh meningkatkan ketumpatan kuasa dengan ketara sambil mengurangkan keperluan pada sistem penyejukan, menjadikan terminal lebih ringan dan lebih kecil.
Menahan tekanan tinggi.Kekuatan medan elektrik pecahan silikon karbida adalah 10 kali ganda daripada silikon, yang boleh menahan voltan yang lebih tinggi dan lebih sesuai untuk peranti voltan tinggi.
Rintangan frekuensi tinggi.Silikon karbida mempunyai kadar hanyutan elektron tepu dua kali ganda daripada silikon, mengakibatkan ketiadaan tailing semasa semasa proses penutupan, yang boleh meningkatkan frekuensi pensuisan peranti dengan berkesan dan merealisasikan pengecilan peranti.
Kehilangan tenaga yang rendah.Berbanding dengan bahan silikon, silikon karbida mempunyai rintangan pada yang sangat rendah dan kehilangan kehilangan yang rendah.Pada masa yang sama, lebar jurang jalur yang tinggi bagi silikon karbida sangat mengurangkan arus bocor dan kehilangan kuasa.Di samping itu, peranti silikon karbida tidak mempunyai fenomena jejak semasa semasa proses penutupan, dan kehilangan pensuisan adalah rendah.
Rantaian industri silikon karbida
Ia terutamanya termasuk substrat, epitaksi, reka bentuk peranti, pembuatan, pengedap dan sebagainya.Silikon karbida daripada bahan kepada peranti kuasa semikonduktor akan mengalami pertumbuhan kristal tunggal, penghirisan jongkong, pertumbuhan epitaxial, reka bentuk wafer, pembuatan, pembungkusan dan proses lain.Selepas sintesis serbuk silikon karbida, jongkong silikon karbida dibuat terlebih dahulu, dan kemudian substrat silikon karbida diperoleh dengan mengiris, mengisar dan menggilap, dan lembaran epitaxial diperolehi oleh pertumbuhan epitaxial.Wafer epitaxial diperbuat daripada silikon karbida melalui litografi, etsa, implantasi ion, pempasifan logam dan proses lain, wafer dipotong menjadi die, peranti dibungkus, dan peranti digabungkan menjadi cangkang khas dan dipasang ke dalam modul.
Hulu rantaian industri 1: substrat - pertumbuhan kristal ialah pautan proses teras
Substrat silikon karbida menyumbang kira-kira 47% daripada kos peranti silikon karbida, halangan teknikal pembuatan tertinggi, nilai terbesar, adalah teras perindustrian berskala besar masa depan SiC.
Dari perspektif perbezaan sifat elektrokimia, bahan substrat silikon karbida boleh dibahagikan kepada substrat konduktif (rantau rintangan 15~30mΩ·cm) dan substrat separa terlindung (rintangan lebih tinggi daripada 105Ω·cm).Kedua-dua jenis substrat ini digunakan untuk mengeluarkan peranti diskret seperti peranti kuasa dan peranti frekuensi radio masing-masing selepas pertumbuhan epitaxial.Antaranya, substrat silikon karbida separa terlindung digunakan terutamanya dalam pembuatan peranti RF galium nitrida, peranti fotoelektrik dan sebagainya.Dengan mengembangkan lapisan epitaxial gan pada substrat SIC separa terlindung, plat epitaxial sic disediakan, yang boleh disediakan selanjutnya ke dalam peranti RF iso-nitrida HEMT gan.Substrat silikon karbida konduktif digunakan terutamanya dalam pembuatan peranti kuasa.Berbeza daripada proses pembuatan peranti kuasa silikon tradisional, peranti kuasa silikon karbida tidak boleh dibuat secara langsung pada substrat silikon karbida, lapisan epitaxial silikon karbida perlu ditanam pada substrat konduktif untuk mendapatkan lembaran epitaxial silikon karbida, dan epitaxial lapisan dihasilkan pada diod Schottky, MOSFET, IGBT dan peranti kuasa lain.
Serbuk silikon karbida telah disintesis daripada serbuk karbon ketulenan tinggi dan serbuk silikon ketulenan tinggi, dan saiz jongkong silikon karbida yang berbeza ditanam di bawah medan suhu khas, dan kemudian substrat silikon karbida dihasilkan melalui pelbagai proses pemprosesan.Proses teras termasuk:
Sintesis bahan mentah: Serbuk silikon + toner ketulenan tinggi dicampur mengikut formula, dan tindak balas dijalankan dalam ruang tindak balas di bawah keadaan suhu tinggi melebihi 2000°C untuk mensintesis zarah silikon karbida dengan jenis dan zarah kristal tertentu saiz.Kemudian melalui proses penghancuran, penapisan, pembersihan dan lain-lain, untuk memenuhi keperluan bahan mentah serbuk silikon karbida ketulenan tinggi.
Pertumbuhan kristal adalah proses teras pembuatan substrat silikon karbida, yang menentukan sifat elektrik substrat silikon karbida.Pada masa ini, kaedah utama untuk pertumbuhan kristal ialah pemindahan wap fizikal (PVT), pemendapan wap kimia suhu tinggi (HT-CVD) dan epitaksi fasa cecair (LPE).Antaranya, kaedah PVT adalah kaedah arus perdana untuk pertumbuhan komersial substrat SiC pada masa ini, dengan kematangan teknikal tertinggi dan paling banyak digunakan dalam kejuruteraan.
Penyediaan substrat SiC adalah sukar, menyebabkan harganya yang tinggi
Kawalan medan suhu adalah sukar: Pertumbuhan rod kristal Si hanya memerlukan 1500℃, manakala rod kristal SiC perlu ditanam pada suhu tinggi melebihi 2000℃, dan terdapat lebih daripada 250 isomer SiC, tetapi struktur kristal tunggal 4H-SiC utama untuk pengeluaran peranti kuasa, jika tidak kawalan yang tepat, akan mendapat struktur kristal lain.Di samping itu, kecerunan suhu dalam mangkuk pijar menentukan kadar pemindahan pemejalwapan SiC dan susunan dan mod pertumbuhan atom gas pada antara muka kristal, yang mempengaruhi kadar pertumbuhan kristal dan kualiti kristal, jadi perlu membentuk medan suhu yang sistematik. teknologi kawalan.Berbanding dengan bahan Si, perbezaan dalam pengeluaran SiC juga adalah dalam proses suhu tinggi seperti implantasi ion suhu tinggi, pengoksidaan suhu tinggi, pengaktifan suhu tinggi, dan proses topeng keras yang diperlukan oleh proses suhu tinggi ini.
Pertumbuhan kristal perlahan: kadar pertumbuhan batang kristal Si boleh mencapai 30 ~ 150mm/j, dan pengeluaran rod kristal silikon 1-3m hanya mengambil masa kira-kira 1 hari;Batang kristal SiC dengan kaedah PVT sebagai contoh, kadar pertumbuhan adalah kira-kira 0.2-0.4mm/j, 7 hari untuk berkembang kurang daripada 3-6cm, kadar pertumbuhan kurang daripada 1% daripada bahan silikon, kapasiti pengeluaran sangat terhad.
Parameter produk yang tinggi dan hasil yang rendah: parameter teras substrat SiC termasuk ketumpatan mikrotubulus, ketumpatan terkehel, kerintangan, lengkungan, kekasaran permukaan, dll. Ia adalah kejuruteraan sistem yang kompleks untuk menyusun atom dalam ruang suhu tinggi tertutup dan pertumbuhan kristal yang lengkap, sambil mengawal indeks parameter.
Bahan ini mempunyai kekerasan yang tinggi, kerapuhan tinggi, masa pemotongan yang lama dan kehausan yang tinggi: Kekerasan SiC Mohs 9.25 adalah kedua selepas berlian, yang membawa kepada peningkatan ketara dalam kesukaran memotong, mengisar dan menggilap, dan ia mengambil masa kira-kira 120 jam untuk potong 35-40 keping jongkong setebal 3cm.Di samping itu, disebabkan oleh kerapuhan SiC yang tinggi, kehausan pemprosesan wafer akan menjadi lebih banyak, dan nisbah keluaran hanya kira-kira 60%.
Trend pembangunan: Peningkatan saiz + penurunan harga
Barisan pengeluaran volum 6 inci pasaran SiC global semakin matang, dan syarikat terkemuka telah memasuki pasaran 8 inci.Projek pembangunan domestik terutamanya 6 inci.Pada masa ini, walaupun kebanyakan syarikat domestik masih berdasarkan barisan pengeluaran 4-inci, tetapi industri secara beransur-ansur berkembang kepada 6-inci, dengan kematangan teknologi peralatan sokongan 6-inci, teknologi substrat SiC domestik juga secara beransur-ansur meningkatkan ekonomi skala barisan pengeluaran bersaiz besar akan dicerminkan, dan jurang masa pengeluaran besar-besaran domestik semasa 6 inci telah mengecil kepada 7 tahun.Saiz wafer yang lebih besar boleh membawa peningkatan dalam bilangan cip tunggal, meningkatkan kadar hasil, dan mengurangkan bahagian cip tepi, dan kos penyelidikan dan pembangunan serta kehilangan hasil akan dikekalkan pada kira-kira 7%, dengan itu meningkatkan wafer penggunaan.
Masih terdapat banyak kesukaran dalam reka bentuk peranti
Pengkomersilan diod SiC bertambah baik secara beransur-ansur, pada masa ini, beberapa pengeluar domestik telah mereka bentuk produk SiC SBD, produk SiC SBD voltan sederhana dan tinggi mempunyai kestabilan yang baik, dalam kenderaan OBC, penggunaan SiC SBD+SI IGBT untuk mencapai stabil ketumpatan arus.Pada masa ini, tiada halangan dalam reka bentuk paten produk SiC SBD di China, dan jurang dengan negara asing adalah kecil.
SiC MOS masih menghadapi banyak kesukaran, masih terdapat jurang antara SiC MOS dan pengeluar luar negara, dan platform pembuatan yang berkaitan masih dalam pembinaan.Pada masa ini, ST, Infineon, Rohm dan lain-lain 600-1700V SiC MOS telah mencapai pengeluaran besar-besaran dan ditandatangani dan dihantar dengan banyak industri pembuatan, manakala reka bentuk SiC MOS domestik semasa pada asasnya telah siap, beberapa pengeluar reka bentuk bekerja dengan fab di peringkat aliran wafer, dan pengesahan pelanggan kemudiannya masih memerlukan sedikit masa, jadi masih ada masa yang lama dari pengkomersilan berskala besar.
Pada masa ini, struktur planar adalah pilihan utama, dan jenis parit digunakan secara meluas dalam medan tekanan tinggi pada masa hadapan.Struktur planar SiC MOS pengeluar adalah banyak, struktur planar tidak mudah untuk menghasilkan masalah kerosakan tempatan berbanding dengan alur, menjejaskan kestabilan kerja, dalam pasaran di bawah 1200V mempunyai pelbagai nilai aplikasi, dan struktur planar adalah relatif mudah dalam penghujung pembuatan, untuk memenuhi kebolehkilangan dan kawalan kos dua aspek.Peranti alur mempunyai kelebihan induktansi parasit yang sangat rendah, kelajuan pensuisan yang cepat, kehilangan yang rendah dan prestasi yang agak tinggi.
2--Berita wafer SiC
Pengeluaran pasaran silikon karbida dan pertumbuhan jualan, perhatikan ketidakseimbangan struktur antara bekalan dan permintaan
Dengan pertumbuhan pesat permintaan pasaran untuk elektronik kuasa frekuensi tinggi dan berkuasa tinggi, kesesakan had fizikal peranti semikonduktor berasaskan silikon telah beransur-ansur menjadi ketara, dan bahan semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh silikon karbida (SiC) telah beransur-ansur. menjadi industri.Dari sudut prestasi bahan, silikon karbida mempunyai 3 kali lebar jurang jalur bahan silikon, 10 kali ganda kekuatan medan elektrik pecahan kritikal, 3 kali ganda kekonduksian terma, jadi peranti kuasa silikon karbida sesuai untuk frekuensi tinggi, tekanan tinggi, suhu tinggi dan aplikasi lain, membantu meningkatkan kecekapan dan ketumpatan kuasa sistem elektronik kuasa.
Pada masa ini, diod SiC dan MOSFET SiC telah beransur-ansur berpindah ke pasaran, dan terdapat lebih banyak produk matang, antaranya diod SiC digunakan secara meluas dan bukannya diod berasaskan silikon dalam beberapa bidang kerana ia tidak mempunyai kelebihan caj pemulihan terbalik;SiC MOSFET juga digunakan secara beransur-ansur dalam automotif, penyimpanan tenaga, longgokan pengecasan, fotovoltaik dan medan lain;Dalam bidang aplikasi automotif, trend pemodulatan menjadi lebih dan lebih menonjol, prestasi unggul SiC perlu bergantung pada proses pembungkusan lanjutan untuk mencapai, secara teknikal dengan pengedap cangkerang yang agak matang sebagai arus perdana, masa depan atau pembangunan pengedap plastik , ciri pembangunan tersuainya lebih sesuai untuk modul SiC.
Kelajuan penurunan harga karbida silikon atau di luar imaginasi
Penggunaan peranti silikon karbida terutamanya dihadkan oleh kos yang tinggi, harga SiC MOSFET di bawah tahap yang sama adalah 4 kali lebih tinggi daripada IGBT berasaskan Si, ini kerana proses silikon karbida adalah kompleks, di mana pertumbuhan kristal tunggal dan epitaxial bukan sahaja keras terhadap alam sekitar, tetapi juga kadar pertumbuhan perlahan, dan pemprosesan kristal tunggal ke dalam substrat mesti melalui proses pemotongan dan penggilap.Berdasarkan ciri bahannya sendiri dan teknologi pemprosesan yang tidak matang, hasil substrat domestik adalah kurang daripada 50%, dan pelbagai faktor membawa kepada harga substrat dan epitaxial yang tinggi.
Walau bagaimanapun, komposisi kos peranti silikon karbida dan peranti berasaskan silikon adalah bertentangan secara diametrik, kos substrat dan epitaxial saluran hadapan masing-masing menyumbang 47% dan 23% daripada keseluruhan peranti, berjumlah kira-kira 70%, reka bentuk peranti, pembuatan. dan pautan pengedap saluran belakang hanya menyumbang 30%, kos pengeluaran peranti berasaskan silikon tertumpu terutamanya dalam pembuatan wafer saluran belakang kira-kira 50%, dan kos substrat menyumbang hanya 7%.Fenomena nilai rantaian industri silikon karbida terbalik bermakna pengeluar epitaksi substrat hulu mempunyai hak teras untuk bercakap, yang merupakan kunci kepada susun atur perusahaan domestik dan asing.
Dari sudut pandangan dinamik di pasaran, mengurangkan kos silikon karbida, sebagai tambahan kepada meningkatkan kristal silikon karbida panjang dan proses penghirisan, adalah untuk mengembangkan saiz wafer, yang juga merupakan laluan matang pembangunan semikonduktor pada masa lalu, Data Wolfspeed menunjukkan bahawa substrat silikon karbida menaik taraf daripada 6 inci kepada 8 inci, pengeluaran cip yang layak boleh meningkat sebanyak 80%-90%, dan membantu meningkatkan hasil.Boleh mengurangkan gabungan kos unit sebanyak 50%.
2023 dikenali sebagai "8-inci SiC tahun pertama", tahun ini, pengeluar karbida silikon domestik dan asing mempercepatkan susun atur silikon karbida 8-inci, seperti pelaburan gila Wolfspeed sebanyak 14.55 bilion dolar AS untuk pengembangan pengeluaran silikon karbida, bahagian pentingnya ialah pembinaan kilang pembuatan substrat SiC 8-inci, Untuk memastikan bekalan logam kosong 200 mm SiC pada masa hadapan kepada beberapa syarikat;Tianyue Advanced Domestik dan Tianke Heda juga telah menandatangani perjanjian jangka panjang dengan Infineon untuk membekalkan substrat silikon karbida 8 inci pada masa hadapan.
Mulai tahun ini, silikon karbida akan memecut daripada 6 inci kepada 8 inci, Wolfspeed menjangkakan bahawa menjelang 2024, kos cip unit substrat 8 inci berbanding kos cip unit substrat 6 inci pada 2022 akan dikurangkan lebih daripada 60% , dan penurunan kos akan membuka lagi pasaran aplikasi, kata data penyelidikan Ji Bond Consulting.Bahagian pasaran semasa produk 8-inci adalah kurang daripada 2%, dan bahagian pasaran dijangka berkembang kepada kira-kira 15% menjelang 2026.
Malah, kadar penurunan harga substrat silikon karbida mungkin melebihi imaginasi ramai orang, tawaran pasaran semasa substrat 6-inci adalah 4000-5000 yuan/keping, berbanding dengan awal tahun telah jatuh banyak, adalah dijangka jatuh di bawah 4000 yuan tahun depan, perlu diperhatikan bahawa sesetengah pengeluar untuk mendapatkan pasaran pertama, telah mengurangkan harga jualan kepada garis kos di bawah, Membuka model perang harga, terutamanya tertumpu pada substrat silikon karbida bekalan agak mencukupi dalam medan voltan rendah, pengeluar domestik dan asing secara agresif mengembangkan kapasiti pengeluaran, atau membiarkan substrat silikon karbida lebihan bekalan peringkat lebih awal daripada yang dibayangkan.
Masa siaran: Jan-19-2024