Introdução ao carboneto de silício
O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor composto composto de carbono e silício, que é um dos materiais ideais para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frequência, alta potência e alta tensão.Comparado com o material de silício tradicional (Si), o band gap do carboneto de silício é 3 vezes maior que o do silício.A condutividade térmica é 4-5 vezes maior que a do silício;A tensão de ruptura é 8 a 10 vezes maior que a do silício;A taxa de desvio de saturação eletrônica é 2 a 3 vezes maior que a do silício, o que atende às necessidades da indústria moderna de alta potência, alta tensão e alta frequência.É usado principalmente para a produção de componentes eletrônicos de alta velocidade, alta frequência, alta potência e emissores de luz.Os campos de aplicação downstream incluem redes inteligentes, novos veículos de energia, energia eólica fotovoltaica, comunicação 5G, etc. Diodos de carboneto de silício e MOSFETs têm sido aplicados comercialmente.
Resistência a altas temperaturas.A largura do gap do carboneto de silício é 2-3 vezes maior que a do silício, os elétrons não são fáceis de fazer a transição em altas temperaturas e podem suportar temperaturas operacionais mais altas, e a condutividade térmica do carboneto de silício é 4-5 vezes maior que a do silício, tornando a dissipação de calor do dispositivo mais fácil e a temperatura limite de operação mais alta.A resistência a altas temperaturas pode aumentar significativamente a densidade de potência e, ao mesmo tempo, reduzir os requisitos do sistema de refrigeração, tornando o terminal mais leve e menor.
Suporta alta pressão.A intensidade do campo elétrico de ruptura do carboneto de silício é 10 vezes maior que a do silício, que pode suportar tensões mais altas e é mais adequada para dispositivos de alta tensão.
Resistência de alta frequência.O carboneto de silício tem uma taxa de deriva de elétrons saturada duas vezes maior que a do silício, resultando na ausência de corrente residual durante o processo de desligamento, o que pode efetivamente melhorar a frequência de comutação do dispositivo e realizar a miniaturização do dispositivo.
Baixa perda de energia.Comparado com o material de silício, o carboneto de silício tem resistência e perda muito baixas.Ao mesmo tempo, a alta largura de banda do carboneto de silício reduz bastante a corrente de fuga e a perda de potência.Além disso, o dispositivo de carboneto de silício não apresenta fenômeno de rastreamento de corrente durante o processo de desligamento e a perda de comutação é baixa.
Cadeia da indústria de carboneto de silício
Inclui principalmente substrato, epitaxia, design de dispositivo, fabricação, vedação e assim por diante.O carboneto de silício do material ao dispositivo de energia semicondutor experimentará crescimento de cristal único, corte de lingotes, crescimento epitaxial, design de wafer, fabricação, embalagem e outros processos.Após a síntese do pó de carboneto de silício, o lingote de carboneto de silício é feito primeiro e, em seguida, o substrato de carboneto de silício é obtido por fatiamento, moagem e polimento, e a folha epitaxial é obtida por crescimento epitaxial.O wafer epitaxial é feito de carboneto de silício por meio de litografia, gravação, implantação iônica, passivação de metal e outros processos, o wafer é cortado em matriz, o dispositivo é embalado e o dispositivo é combinado em um invólucro especial e montado em um módulo.
A montante da cadeia industrial 1: substrato - o crescimento do cristal é o elo central do processo
O substrato de carboneto de silício é responsável por cerca de 47% do custo dos dispositivos de carboneto de silício, as maiores barreiras técnicas de fabricação, o maior valor, é o núcleo da futura industrialização em larga escala do SiC.
Do ponto de vista das diferenças de propriedades eletroquímicas, os materiais de substrato de carboneto de silício podem ser divididos em substratos condutores (região de resistividade 15 ~ 30mΩ·cm) e substratos semi-isolados (resistividade superior a 105Ω·cm).Esses dois tipos de substratos são usados para fabricar dispositivos discretos, como dispositivos de energia e dispositivos de radiofrequência, respectivamente, após o crescimento epitaxial.Entre eles, o substrato de carboneto de silício semi-isolado é usado principalmente na fabricação de dispositivos RF de nitreto de gálio, dispositivos fotoelétricos e assim por diante.Ao crescer a camada epitaxial gan no substrato SIC semi-isolado, a placa epitaxial sic é preparada, que pode ser posteriormente preparada em dispositivos RF de isonitreto gan HEMT.O substrato condutor de carboneto de silício é usado principalmente na fabricação de dispositivos de energia.Diferente do processo tradicional de fabricação de dispositivos de potência de silício, o dispositivo de potência de carboneto de silício não pode ser feito diretamente no substrato de carboneto de silício, a camada epitaxial de carboneto de silício precisa ser cultivada no substrato condutor para obter a folha epitaxial de carboneto de silício e o epitaxial camada é fabricada no diodo Schottky, MOSFET, IGBT e outros dispositivos de energia.
O pó de carboneto de silício foi sintetizado a partir de pó de carbono de alta pureza e pó de silício de alta pureza, e diferentes tamanhos de lingotes de carboneto de silício foram cultivados sob um campo de temperatura especial e, em seguida, o substrato de carboneto de silício foi produzido através de vários processos de processamento.O processo principal inclui:
Síntese de matéria-prima: O pó de silício de alta pureza + toner é misturado de acordo com a fórmula, e a reação é realizada na câmara de reação sob condições de alta temperatura acima de 2.000 ° C para sintetizar as partículas de carboneto de silício com tipo de cristal específico e partícula tamanho.Em seguida, através de britagem, peneiramento, limpeza e outros processos, para atender aos requisitos de matérias-primas em pó de carboneto de silício de alta pureza.
O crescimento do cristal é o processo central de fabricação do substrato de carboneto de silício, que determina as propriedades elétricas do substrato de carboneto de silício.Atualmente, os principais métodos para o crescimento de cristais são a transferência física de vapor (PVT), a deposição química de vapor em alta temperatura (HT-CVD) e a epitaxia em fase líquida (LPE).Entre eles, o método PVT é atualmente o método convencional para o crescimento comercial de substrato de SiC, com a maior maturidade técnica e o mais amplamente utilizado em engenharia.
A preparação do substrato SiC é difícil, levando ao seu alto preço
O controle do campo de temperatura é difícil: o crescimento da haste de cristal de Si precisa apenas de 1.500 ℃, enquanto a haste de cristal de SiC precisa ser cultivada em alta temperatura acima de 2.000 ℃, e há mais de 250 isômeros de SiC, mas a principal estrutura de cristal único 4H-SiC para a produção de dispositivos de potência, se não for controlada com precisão, terá outras estruturas cristalinas.Além disso, o gradiente de temperatura no cadinho determina a taxa de transferência de sublimação de SiC e o arranjo e modo de crescimento dos átomos gasosos na interface do cristal, o que afeta a taxa de crescimento do cristal e a qualidade do cristal, por isso é necessário formar um campo sistemático de temperatura tecnologia de controle.Em comparação com os materiais de Si, a diferença na produção de SiC também está nos processos de alta temperatura, como implantação iônica em alta temperatura, oxidação em alta temperatura, ativação em alta temperatura e o processo de máscara dura exigido por esses processos de alta temperatura.
Crescimento lento do cristal: a taxa de crescimento da haste de cristal de Si pode atingir 30 ~ 150 mm / h, e a produção de haste de cristal de silício de 1-3 m leva apenas cerca de 1 dia;Haste de cristal SiC com método PVT como exemplo, a taxa de crescimento é de cerca de 0,2-0,4 mm/h, 7 dias para crescer menos de 3-6 cm, a taxa de crescimento é inferior a 1% do material de silício, a capacidade de produção é extremamente limitado.
Parâmetros de produto elevados e baixo rendimento: os parâmetros principais do substrato SiC incluem densidade de microtúbulos, densidade de deslocamento, resistividade, empenamento, rugosidade superficial, etc. É uma engenharia de sistema complexo para organizar átomos em uma câmara fechada de alta temperatura e completar o crescimento do cristal, enquanto controla índices de parâmetros.
O material possui alta dureza, alta fragilidade, longo tempo de corte e alto desgaste: a dureza SiC Mohs de 9,25 perde apenas para o diamante, o que leva a um aumento significativo na dificuldade de corte, retificação e polimento, e leva aproximadamente 120 horas para corte 35-40 pedaços de um lingote com 3 cm de espessura.Além disso, devido à alta fragilidade do SiC, o desgaste do processamento do wafer será maior e a taxa de saída será de apenas cerca de 60%.
Tendência de desenvolvimento: aumento de tamanho + diminuição de preço
A linha de produção em volume de 6 polegadas do mercado global de SiC está amadurecendo e empresas líderes entraram no mercado de 8 polegadas.Os projetos de desenvolvimento interno são principalmente de 6 polegadas.Actualmente, embora a maioria das empresas nacionais ainda se baseie em linhas de produção de 4 polegadas, mas a indústria está gradualmente a expandir-se para 6 polegadas, com a maturidade da tecnologia de equipamento de suporte de 6 polegadas, a tecnologia doméstica de substrato de SiC também está a melhorar gradualmente as economias de a escala das linhas de produção de grande porte será refletida, e o atual intervalo de tempo de produção em massa doméstica de 6 polegadas diminuiu para 7 anos.O tamanho maior do wafer pode provocar um aumento no número de chips únicos, melhorar a taxa de rendimento e reduzir a proporção de chips de borda, e o custo de pesquisa e desenvolvimento e a perda de rendimento serão mantidos em cerca de 7%, melhorando assim o wafer utilização.
Ainda existem muitas dificuldades no design do dispositivo
A comercialização do diodo SiC está melhorando gradualmente, atualmente, vários fabricantes nacionais projetaram produtos SiC SBD, produtos SiC SBD de média e alta tensão têm boa estabilidade, no veículo OBC, o uso de SiC SBD + SI IGBT para alcançar estável densidade atual.Atualmente, não há barreiras no desenho de patentes de produtos SiC SBD na China, e a diferença com países estrangeiros é pequena.
O SiC MOS ainda tem muitas dificuldades, ainda existe uma lacuna entre o SiC MOS e os fabricantes estrangeiros, e a plataforma de fabricação relevante ainda está em construção.Atualmente, ST, Infineon, Rohm e outros SiC MOS 600-1700V alcançaram produção em massa e assinaram e foram enviados para muitas indústrias de manufatura, enquanto o atual design doméstico de SiC MOS foi basicamente concluído, vários fabricantes de design estão trabalhando com fábricas em o estágio de fluxo do wafer e posterior verificação do cliente ainda precisa de algum tempo, portanto ainda falta muito tempo para a comercialização em larga escala.
Atualmente, a estrutura planar é a escolha principal, e o tipo vala será amplamente utilizado no campo de alta pressão no futuro.Estrutura planar Os fabricantes de SiC MOS são muitos, a estrutura planar não é fácil de produzir problemas de ruptura local em comparação com a ranhura, afetando a estabilidade do trabalho, no mercado abaixo de 1200V tem uma ampla gama de valor de aplicação, e a estrutura planar é relativamente simples no final da fabricação, para atender a dois aspectos de capacidade de fabricação e controle de custos.O dispositivo de ranhura tem as vantagens de indutância parasita extremamente baixa, velocidade de comutação rápida, baixa perda e desempenho relativamente alto.
2--Notícias sobre wafer SiC
Produção do mercado de carboneto de silício e crescimento das vendas, preste atenção ao desequilíbrio estrutural entre oferta e demanda
Com o rápido crescimento da demanda do mercado por eletrônicos de potência de alta frequência e alta potência, o gargalo do limite físico dos dispositivos semicondutores à base de silício tornou-se gradualmente proeminente, e os materiais semicondutores de terceira geração representados pelo carboneto de silício (SiC) gradualmente tornar-se industrializado.Do ponto de vista do desempenho do material, o carboneto de silício tem 3 vezes a largura da banda do material de silício, 10 vezes a força do campo elétrico de ruptura crítica, 3 vezes a condutividade térmica, portanto, os dispositivos de potência de carboneto de silício são adequados para alta frequência, alta pressão, altas temperaturas e outras aplicações ajudam a melhorar a eficiência e a densidade de potência dos sistemas eletrônicos de potência.
Actualmente, os díodos de SiC e os MOSFETs de SiC têm gradualmente chegado ao mercado, e existem produtos mais maduros, entre os quais os díodos de SiC são amplamente utilizados em vez de díodos à base de silício em alguns campos porque não têm a vantagem da carga de recuperação inversa;O SiC MOSFET também é gradualmente usado em campos automotivos, de armazenamento de energia, de pilha de carregamento, fotovoltaicos e outros;No campo das aplicações automotivas, a tendência de modularização está se tornando cada vez mais proeminente, o desempenho superior do SiC precisa contar com processos de embalagem avançados para alcançar, tecnicamente com vedação de casca relativamente madura como principal, o futuro ou para o desenvolvimento de vedação de plástico , suas características de desenvolvimento customizadas são mais adequadas para módulos SiC.
Velocidade de declínio do preço do carboneto de silício ou além da imaginação
A aplicação de dispositivos de carboneto de silício é limitada principalmente pelo alto custo, o preço do SiC MOSFET no mesmo nível é 4 vezes maior que o do IGBT à base de Si, isso ocorre porque o processo de carboneto de silício é complexo, no qual o crescimento de O monocristal e o epitaxial não são apenas agressivos ao meio ambiente, mas também a taxa de crescimento é lenta, e o processamento do monocristal no substrato deve passar pelo processo de corte e polimento.Com base em suas próprias características de material e tecnologia de processamento imatura, o rendimento do substrato doméstico é inferior a 50% e vários fatores levam a altos preços de substrato e epitaxial.
No entanto, a composição de custos dos dispositivos de carboneto de silício e dos dispositivos à base de silício é diametralmente oposta, os custos do substrato e epitaxial do canal frontal representam 47% e 23% de todo o dispositivo, respectivamente, totalizando cerca de 70%, o design do dispositivo, fabricação e os links de vedação do canal traseiro representam apenas 30%, o custo de produção de dispositivos à base de silício concentra-se principalmente na fabricação de wafers do canal traseiro, cerca de 50%, e o custo do substrato é responsável por apenas 7%.O fenômeno do valor da cadeia da indústria de carboneto de silício de cabeça para baixo significa que os fabricantes de epitaxia de substrato a montante têm o direito fundamental de falar, que é a chave para o layout das empresas nacionais e estrangeiras.
Do ponto de vista dinâmico do mercado, reduzir o custo do carboneto de silício, além de melhorar o cristal longo e o processo de fatiamento do carboneto de silício, é expandir o tamanho do wafer, que também é o caminho maduro do desenvolvimento de semicondutores no passado, Os dados da Wolfspeed mostram que a atualização do substrato de carboneto de silício de 6 polegadas para 8 polegadas, a produção qualificada de chips pode aumentar em 80% -90% e ajudar a melhorar o rendimento.Pode reduzir o custo unitário combinado em 50%.
2023 é conhecido como o "primeiro ano de SiC de 8 polegadas", este ano, os fabricantes nacionais e estrangeiros de carboneto de silício estão acelerando o layout do carboneto de silício de 8 polegadas, como o investimento louco da Wolfspeed de 14,55 bilhões de dólares americanos para a expansão da produção de carboneto de silício, uma parte importante é a construção de uma planta de fabricação de substrato de SiC de 8 polegadas. Para garantir o fornecimento futuro de metal puro de SiC de 200 mm para diversas empresas;A doméstica Tianyue Advanced e a Tianke Heda também assinaram acordos de longo prazo com a Infineon para fornecer substratos de carboneto de silício de 8 polegadas no futuro.
A partir deste ano, o carboneto de silício irá acelerar de 6 polegadas para 8 polegadas, Wolfspeed espera que até 2024, o custo unitário do chip do substrato de 8 polegadas em comparação com o custo unitário do chip do substrato de 6 polegadas em 2022 será reduzido em mais de 60% , e o declínio dos custos abrirá ainda mais o mercado de aplicativos, apontaram dados de pesquisa da Ji Bond Consulting.A atual participação de mercado dos produtos de 8 polegadas é inferior a 2% e espera-se que a participação de mercado cresça para cerca de 15% até 2026.
Na verdade, a taxa de declínio no preço do substrato de carboneto de silício pode exceder a imaginação de muitas pessoas, a oferta atual do mercado de substrato de 6 polegadas é de 4.000-5.000 yuans/peça, em comparação com o início do ano caiu muito, é deverá cair abaixo de 4.000 yuans no próximo ano, vale ressaltar que alguns fabricantes, para conseguir o primeiro mercado, reduziram o preço de venda para a linha de custo abaixo, abriram o modelo da guerra de preços, concentrado principalmente no substrato de carboneto de silício a oferta tem sido relativamente suficiente no campo de baixa tensão, os fabricantes nacionais e estrangeiros estão expandindo agressivamente a capacidade de produção ou deixando o excesso de oferta do substrato de carboneto de silício chegar mais cedo do que se imaginava.
Horário da postagem: 19 de janeiro de 2024