Introducción al carburo de silicio
El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor compuesto de carbono y silicio, ideal para la fabricación de dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y alto voltaje. En comparación con el silicio tradicional (Si), su banda prohibida es tres veces mayor que la del silicio. Su conductividad térmica es de cuatro a cinco veces mayor que la del silicio; su voltaje de ruptura es de ocho a diez veces mayor que el del silicio; y su tasa de deriva de saturación electrónica es de dos a tres veces mayor que la del silicio, lo que satisface las necesidades de la industria moderna en cuanto a alta potencia, alto voltaje y alta frecuencia. Se utiliza principalmente para la producción de componentes electrónicos de alta velocidad, alta frecuencia, alta potencia y emisión de luz. Sus aplicaciones incluyen redes inteligentes, vehículos de nueva energía, energía eólica fotovoltaica, comunicaciones 5G, etc. Se han utilizado comercialmente diodos y MOSFET de carburo de silicio.
Resistencia a altas temperaturas. El ancho de banda prohibida del carburo de silicio es de 2 a 3 veces mayor que el del silicio, lo que dificulta la transición de electrones a altas temperaturas y puede soportar temperaturas de funcionamiento más elevadas. Además, su conductividad térmica es de 4 a 5 veces mayor que la del silicio, lo que facilita la disipación del calor del dispositivo y eleva la temperatura límite de funcionamiento. Esta resistencia a altas temperaturas aumenta significativamente la densidad de potencia, reduciendo los requisitos del sistema de refrigeración y haciendo que el terminal sea más ligero y compacto.
Soporta alta presión. La intensidad del campo eléctrico de ruptura del carburo de silicio es diez veces mayor que la del silicio, lo que le permite soportar voltajes más altos y es más adecuado para dispositivos de alto voltaje.
Resistencia a altas frecuencias. El carburo de silicio presenta una tasa de deriva de electrones saturados dos veces mayor que la del silicio, lo que evita la acumulación de corriente durante el apagado, lo que mejora eficazmente la frecuencia de conmutación del dispositivo y permite su miniaturización.
Baja pérdida de energía. En comparación con el silicio, el carburo de silicio presenta una resistencia de encendido y una pérdida de encendido muy bajas. Al mismo tiempo, su amplio ancho de banda prohibida reduce considerablemente la corriente de fuga y la pérdida de potencia. Además, el dispositivo de carburo de silicio no presenta el fenómeno de arrastre de corriente durante el apagado y la pérdida de conmutación es baja.
Cadena industrial del carburo de silicio
Incluye principalmente sustrato, epitaxia, diseño de dispositivos, fabricación, sellado, etc. El carburo de silicio, desde el material hasta el dispositivo semiconductor de potencia, experimentará crecimiento monocristalino, corte de lingotes, crecimiento epitaxial, diseño de obleas, fabricación, empaquetado y otros procesos. Tras la síntesis del polvo de carburo de silicio, primero se fabrica el lingote de carburo de silicio, y luego se obtiene el sustrato de carburo de silicio mediante corte, esmerilado y pulido, y la lámina epitaxial se obtiene mediante crecimiento epitaxial. La oblea epitaxial se fabrica de carburo de silicio mediante litografía, grabado, implantación iónica, pasivación metálica y otros procesos. La oblea se corta en una matriz, el dispositivo se empaqueta y el dispositivo se combina en una carcasa especial y se ensambla en un módulo.
Aguas arriba de la cadena industrial 1: sustrato: el crecimiento de cristales es el eslabón central del proceso
El sustrato de carburo de silicio representa aproximadamente el 47% del costo de los dispositivos de carburo de silicio, las barreras técnicas de fabricación más altas, el valor más grande, es el núcleo de la futura industrialización a gran escala de SiC.
Desde la perspectiva de las diferencias en las propiedades electroquímicas, los materiales de sustrato de carburo de silicio se pueden dividir en sustratos conductores (región de resistividad 15~30mΩ·cm) y sustratos semiaislados (resistividad superior a 105Ω·cm). Estos dos tipos de sustratos se utilizan para fabricar dispositivos discretos como dispositivos de potencia y dispositivos de radiofrecuencia respectivamente después del crecimiento epitaxial. Entre ellos, el sustrato de carburo de silicio semiaislado se utiliza principalmente en la fabricación de dispositivos de RF de nitruro de galio, dispositivos fotoeléctricos, etc. Al crecer la capa epitaxial de gan sobre el sustrato SIC semiaislado, se prepara la placa epitaxial de sic, que puede prepararse posteriormente en dispositivos de RF de iso-nitruro de gan HEMT. El sustrato de carburo de silicio conductor se utiliza principalmente en la fabricación de dispositivos de potencia. A diferencia del proceso de fabricación de dispositivos de potencia de silicio tradicional, el dispositivo de potencia de carburo de silicio no se puede fabricar directamente sobre el sustrato de carburo de silicio, la capa epitaxial de carburo de silicio debe crecer sobre el sustrato conductor para obtener la lámina epitaxial de carburo de silicio, y la capa epitaxial se fabrica en el diodo Schottky, MOSFET, IGBT y otros dispositivos de potencia.
El polvo de carburo de silicio se sintetizó a partir de polvo de carbono y polvo de silicio de alta pureza, y se cultivaron lingotes de carburo de silicio de diferentes tamaños en un campo de temperatura especial. Posteriormente, se produjo el sustrato de carburo de silicio mediante múltiples procesos de procesamiento. El proceso principal incluye:
Síntesis de materia prima: El polvo de silicio de alta pureza y el tóner se mezclan según la fórmula y la reacción se lleva a cabo en la cámara de reacción a alta temperatura, superior a 2000 °C, para sintetizar partículas de carburo de silicio con un tipo de cristal y tamaño de partícula específicos. Posteriormente, mediante trituración, cribado, limpieza y otros procesos, se cumple con los requisitos de la materia prima de carburo de silicio en polvo de alta pureza.
El crecimiento de cristales es el proceso fundamental en la fabricación de sustratos de carburo de silicio, que determina sus propiedades eléctricas. Actualmente, los principales métodos para el crecimiento de cristales son la transferencia física de vapor (PVT), la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) y la epitaxia en fase líquida (LPE). Entre ellos, el método PVT es el principal para el crecimiento comercial de sustratos de SiC, con la mayor madurez técnica y el más utilizado en ingeniería.
La preparación del sustrato de SiC es difícil, lo que provoca su elevado precio.
El control del campo de temperatura es difícil: el crecimiento de la varilla de cristal de Si solo necesita 1500 ℃, mientras que la varilla de cristal de SiC debe crecer a una temperatura alta por encima de 2000 ℃, y hay más de 250 isómeros de SiC, pero la principal estructura monocristalina 4H-SiC para la producción de dispositivos de potencia, si no se controla con precisión, obtendrá otras estructuras cristalinas. Además, el gradiente de temperatura en el crisol determina la velocidad de transferencia de sublimación de SiC y la disposición y el modo de crecimiento de los átomos gaseosos en la interfaz cristalina, lo que afecta la velocidad de crecimiento del cristal y la calidad del cristal, por lo que es necesario formar una tecnología sistemática de control del campo de temperatura. En comparación con los materiales de Si, la diferencia en la producción de SiC también radica en los procesos de alta temperatura, como la implantación de iones a alta temperatura, la oxidación a alta temperatura, la activación a alta temperatura y el proceso de máscara dura requerido por estos procesos de alta temperatura.
Crecimiento lento del cristal: la tasa de crecimiento de la varilla de cristal de Si puede alcanzar de 30 a 150 mm/h, y la producción de una varilla de cristal de silicio de 1-3 m solo toma alrededor de 1 día; Varilla de cristal de SiC con el método PVT como ejemplo, la tasa de crecimiento es de aproximadamente 0,2-0,4 mm/h, 7 días para crecer menos de 3-6 cm, la tasa de crecimiento es inferior al 1% del material de silicio, la capacidad de producción es extremadamente limitada.
Altos parámetros del producto y bajo rendimiento: los parámetros centrales del sustrato de SiC incluyen densidad de microtúbulos, densidad de dislocación, resistividad, deformación, rugosidad de la superficie, etc. Es una ingeniería de sistema compleja para organizar los átomos en una cámara cerrada de alta temperatura y completar el crecimiento del cristal, mientras se controlan los índices de parámetros.
El material presenta alta dureza, alta fragilidad, largo tiempo de corte y alto desgaste: la dureza Mohs del SiC de 9,25 es superada solo por el diamante, lo que aumenta significativamente la dificultad de corte, esmerilado y pulido, y se necesitan aproximadamente 120 horas para cortar de 35 a 40 piezas de un lingote de 3 cm de espesor. Además, debido a la alta fragilidad del SiC, el desgaste en el procesamiento de obleas es mayor y la tasa de producción es de tan solo un 60 %.
Tendencia de desarrollo: aumento de tamaño + disminución de precio
El mercado global de líneas de producción en serie de 6 pulgadas de SiC está en plena madurez, y las empresas líderes han entrado en el mercado de 8 pulgadas. Los proyectos de desarrollo nacionales se centran principalmente en 6 pulgadas. Actualmente, si bien la mayoría de las empresas nacionales aún utilizan líneas de producción de 4 pulgadas, la industria se está expandiendo gradualmente hacia las 6 pulgadas. Con la madurez de la tecnología de equipos de soporte de 6 pulgadas, la tecnología nacional de sustratos de SiC también está mejorando gradualmente, lo que reflejará las economías de escala de las líneas de producción de gran tamaño. El plazo actual de producción en masa nacional de 6 pulgadas se ha reducido a 7 años. El mayor tamaño de oblea puede generar un aumento en el número de chips individuales, mejorar la tasa de rendimiento y reducir la proporción de chips de borde. Además, el costo de investigación y desarrollo y la pérdida de rendimiento se mantendrán en aproximadamente un 7%, mejorando así la utilización de las obleas.
Todavía existen muchas dificultades en el diseño de dispositivos.
La comercialización de diodos de SiC está mejorando gradualmente. Actualmente, varios fabricantes nacionales han diseñado productos SBD de SiC. Estos productos de media y alta tensión presentan una buena estabilidad. En los circuitos integrados de vehículos (OBC), el uso de SBD de SiC + IGBT de SI permite lograr una densidad de corriente estable. Actualmente, no existen barreras para el diseño de patentes de productos SBD de SiC en China, y la brecha con el extranjero es pequeña.
El SiC MOS aún enfrenta numerosas dificultades, ya que existe una brecha entre el SiC MOS y los fabricantes extranjeros, y la plataforma de fabricación correspondiente aún está en desarrollo. Actualmente, ST, Infineon, Rohm y otras empresas con SiC MOS de 600-1700 V han alcanzado la producción en masa y han firmado y distribuido sus productos a numerosas industrias manufactureras. Si bien el diseño nacional actual del SiC MOS está prácticamente terminado, varios fabricantes de diseño trabajan con fábricas en la fase de flujo de obleas. La verificación posterior por parte de los clientes aún requiere tiempo, por lo que aún queda mucho tiempo para su comercialización a gran escala.
Actualmente, la estructura planar es la opción preferida, y el tipo trinchera se utilizará ampliamente en el campo de alta presión. Existen numerosos fabricantes de MOS de SiC con estructura planar. Esta estructura no presenta problemas de ruptura local, a diferencia de la ranura, lo que afecta la estabilidad del trabajo. En el mercado por debajo de 1200 V, tiene una amplia gama de aplicaciones. Además, su fabricación es relativamente sencilla, lo que garantiza la viabilidad y el control de costos. El dispositivo de ranura ofrece las ventajas de una inductancia parásita extremadamente baja, alta velocidad de conmutación, bajas pérdidas y un rendimiento relativamente alto.
2--Noticias sobre obleas de SiC
Crecimiento de la producción y las ventas del mercado de carburo de silicio, preste atención al desequilibrio estructural entre la oferta y la demanda.
Con el rápido crecimiento de la demanda del mercado de electrónica de potencia de alta frecuencia y alta potencia, el límite físico de los dispositivos semiconductores de silicio se ha vuelto cada vez más evidente, y los materiales semiconductores de tercera generación, representados por el carburo de silicio (SiC), se han industrializado gradualmente. En cuanto al rendimiento del material, el carburo de silicio tiene un ancho de banda prohibida tres veces mayor que el del silicio, una intensidad de campo eléctrico crítico de ruptura diez veces mayor y una conductividad térmica tres veces mayor. Por lo tanto, los dispositivos de potencia de carburo de silicio son adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, alta presión y alta temperatura, entre otras, y contribuyen a mejorar la eficiencia y la densidad de potencia de los sistemas electrónicos de potencia.
En la actualidad, los diodos de SiC y los MOSFET de SiC se han trasladado gradualmente al mercado, y hay productos más maduros, entre los cuales los diodos de SiC se usan ampliamente en lugar de los diodos a base de silicio en algunos campos porque no tienen la ventaja de la carga de recuperación inversa; El MOSFET de SiC también se usa gradualmente en automoción, almacenamiento de energía, pila de carga, fotovoltaica y otros campos; En el campo de las aplicaciones automotrices, la tendencia de la modularización se está volviendo cada vez más prominente, el rendimiento superior de SiC debe basarse en procesos de empaquetado avanzados para lograr, técnicamente con el sellado de carcasa relativamente maduro como la corriente principal, el futuro o el desarrollo del sellado de plástico, sus características de desarrollo personalizadas son más adecuadas para los módulos de SiC.
La velocidad de caída del precio del carburo de silicio supera la imaginación
La aplicación de dispositivos de carburo de silicio se ve limitada principalmente por su alto costo. El precio de los MOSFET de SiC, en el mismo nivel, es cuatro veces mayor que el de los IGBT de silicio. Esto se debe a la complejidad del proceso de fabricación del carburo de silicio, donde el crecimiento de monocristales y epitaxiales no solo es perjudicial para el medio ambiente, sino que también presenta una velocidad de crecimiento lenta, y el procesamiento del monocristal en el sustrato requiere un proceso de corte y pulido. Debido a las características propias del material y a la tecnología de procesamiento inmadura, el rendimiento del sustrato nacional es inferior al 50%, y diversos factores contribuyen a los altos precios de los sustratos y epitaxiales.
Sin embargo, la composición de costos de los dispositivos de carburo de silicio y los dispositivos basados en silicio es diametralmente opuesta: los costos del sustrato y la epitaxia del canal frontal representan el 47% y el 23% del total del dispositivo, respectivamente, totalizando aproximadamente el 70%; el diseño, la fabricación y el sellado del canal posterior representan solo el 30%; el costo de producción de los dispositivos basados en silicio se concentra principalmente en la fabricación de obleas del canal posterior (alrededor del 50%), y el costo del sustrato representa solo el 7%. El fenómeno de la inversión en la cadena de valor de la industria del carburo de silicio significa que los fabricantes de epitaxia de sustratos ascendentes tienen el derecho de hablar, lo cual es clave para la distribución de las empresas nacionales y extranjeras.
Desde una perspectiva dinámica en el mercado, la reducción del costo del carburo de silicio, además de mejorar el cristal largo y el proceso de corte, implica ampliar el tamaño de las obleas, lo cual también ha sido una vía consolidada en el desarrollo de semiconductores. Los datos de Wolfspeed muestran que la actualización del sustrato de carburo de silicio de 6 pulgadas a 8 pulgadas puede aumentar la producción de chips calificados entre un 80% y un 90%, lo que contribuye a mejorar el rendimiento. Esto puede reducir el costo unitario combinado en un 50%.
El año 2023 se conoce como el "primer año del SiC de 8 pulgadas". Este año, los fabricantes nacionales y extranjeros de carburo de silicio están acelerando el diseño de carburo de silicio de 8 pulgadas. Por ejemplo, Wolfspeed realizó una inversión desmesurada de 14.550 millones de dólares estadounidenses para expandir la producción de carburo de silicio, una parte importante de la cual es la construcción de una planta de fabricación de sustratos de SiC de 8 pulgadas. Para asegurar el suministro futuro de metal desnudo de SiC de 200 mm a varias empresas, Tianyue Advanced y Tianke Heda, ambas de China, también han firmado acuerdos a largo plazo con Infineon para suministrar sustratos de carburo de silicio de 8 pulgadas en el futuro.
A partir de este año, el carburo de silicio pasará de 6 pulgadas a 8 pulgadas. Wolfspeed prevé que para 2024, el coste unitario del chip de sustrato de 8 pulgadas se reducirá en más del 60 % en comparación con el coste unitario del chip de sustrato de 6 pulgadas de 2022. Esta disminución del coste abrirá aún más el mercado de aplicaciones, según datos de investigación de Ji Bond Consulting. La cuota de mercado actual de los productos de 8 pulgadas es inferior al 2 % y se espera que aumente hasta aproximadamente el 15 % para 2026.
De hecho, la tasa de disminución del precio del sustrato de carburo de silicio puede superar la imaginación de muchas personas, la oferta actual del mercado de sustrato de 6 pulgadas es de 4000-5000 yuanes / pieza, en comparación con el comienzo del año ha caído mucho, se espera que caiga por debajo de 4000 yuanes el próximo año, vale la pena señalar que algunos fabricantes para obtener el primer mercado, han reducido el precio de venta a la línea de costo a continuación, abrieron el modelo de la guerra de precios, principalmente concentrado en el suministro de sustrato de carburo de silicio ha sido relativamente suficiente en el campo de bajo voltaje, los fabricantes nacionales y extranjeros están expandiendo agresivamente la capacidad de producción, o dejan que la etapa de exceso de oferta de sustrato de carburo de silicio antes de lo imaginado.
Hora de publicación: 19 de enero de 2024