Introducción al carburo de silicio
El carburo de silicio (SiC) es un 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), el carburo de silicio presenta una banda prohibida tres veces mayor, una conductividad térmica de cuatro a cinco veces superior, una tensión de ruptura de ocho a diez veces mayor y una tasa de deriva de saturación electrónica de dos a tres veces superior, satisfaciendo así las exigencias de la industria moderna en cuanto a alta potencia, alto voltaje y alta frecuencia. Se utiliza principalmente en 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 fotovoltaica y eólica, comunicaciones 5G, etc. Los diodos y MOSFET de carburo de silicio ya se comercializan.
Alta resistencia a la temperatura. 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 le permite soportar temperaturas de funcionamiento más elevadas. Además, su conductividad térmica es de 4 a 5 veces superior a la del silicio, lo que facilita la disipación del calor del dispositivo y permite un límite de temperatura de funcionamiento más alto. Esta alta resistencia a la temperatura permite aumentar significativamente la densidad de potencia y reducir los requisitos del sistema de refrigeración, lo que a su vez permite fabricar terminales más ligeros y compactos.
Soporta altas presiones. La rigidez dieléctrica del carburo de silicio es 10 veces mayor que la del silicio, lo que le permite soportar voltajes más altos y lo hace más adecuado para dispositivos de alto voltaje.
Resistencia a alta frecuencia. El carburo de silicio tiene una tasa de deriva de electrones saturada dos veces mayor que la del silicio, lo que resulta en la ausencia de cola de corriente durante el proceso de apagado, lo que puede mejorar eficazmente la frecuencia de conmutación del dispositivo y lograr la miniaturización del mismo.
Baja pérdida de energía. En comparación con el silicio, el carburo de silicio presenta una resistencia en estado de conducción y unas pérdidas en estado de conducción muy bajas. Asimismo, 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 corriente residual durante el proceso de apagado y las pérdidas por conmutación son mínimas.
cadena de valor de la industria del carburo de silicio
Incluye principalmente el sustrato, la epitaxia, el diseño del dispositivo, la fabricación, el sellado, etc. El carburo de silicio, desde el material hasta el dispositivo semiconductor de potencia, experimenta el crecimiento de monocristales, el corte de lingotes, el crecimiento epitaxial, el diseño de obleas, la fabricación, el empaquetado y otros procesos. Tras la síntesis del polvo de carburo de silicio, primero se fabrica el lingote, que luego se obtiene mediante corte, pulido y rectificado. Finalmente, se obtiene la lámina epitaxial mediante crecimiento epitaxial. La oblea epitaxial se fabrica con carburo de silicio mediante litografía, grabado, implantación iónica, pasivación metálica y otros procesos. La oblea se corta en chips, el dispositivo se empaqueta y, finalmente, se integra en una carcasa especial para su ensamblaje en un módulo.
En la etapa inicial de la cadena de valor 1: el sustrato y el crecimiento de cristales constituyen el proceso central.
El sustrato de carburo de silicio representa aproximadamente el 47% del coste de los dispositivos de carburo de silicio, las mayores barreras técnicas de fabricación, el mayor valor, y es el núcleo de la futura industrialización a gran escala del SiC.
Desde la perspectiva de las diferencias en sus propiedades electroquímicas, los materiales de sustrato de carburo de silicio se dividen en sustratos conductores (resistividad entre 15 y 30 mΩ·cm) y sustratos semiaislantes (resistividad superior a 10⁵ Ω·cm). Estos dos tipos de sustratos se utilizan para fabricar dispositivos discretos, como dispositivos de potencia y de radiofrecuencia, respectivamente, tras el crecimiento epitaxial. El sustrato de carburo de silicio semiaislante se emplea principalmente en la fabricación de dispositivos de radiofrecuencia de nitruro de galio, dispositivos fotoeléctricos, etc. Mediante el crecimiento de una capa epitaxial de nitruro de galio sobre un sustrato de SiC semiaislante, se obtiene la placa epitaxial de SiC, que posteriormente puede utilizarse para fabricar dispositivos de radiofrecuencia HEMT de isonitruro de galio. El sustrato de carburo de silicio conductor se utiliza principalmente en la fabricación de dispositivos de potencia. A diferencia del proceso de fabricación tradicional de dispositivos de potencia de silicio, los dispositivos de potencia de carburo de silicio no se pueden fabricar directamente sobre el sustrato de carburo de silicio; es necesario cultivar una capa epitaxial de carburo de silicio sobre un sustrato conductor para obtener la lámina epitaxial de carburo de silicio, y esta capa epitaxial se fabrica sobre diodos Schottky, MOSFET, IGBT y otros dispositivos de potencia.
Se sintetizó polvo de carburo de silicio a partir de polvo de carbono de alta pureza y polvo de silicio de alta pureza. Se cultivaron lingotes de carburo de silicio de diferentes tamaños bajo un campo de temperatura específico y, posteriormente, se produjo un sustrato de carburo de silicio mediante múltiples procesos de fabricación. 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 una cámara de reacción a una temperatura superior a 2000 °C para sintetizar partículas de carburo de silicio con un tipo de cristal y tamaño de partícula específicos. Posteriormente, mediante procesos de trituración, cribado, limpieza y otros, se obtiene polvo de carburo de silicio de alta pureza que cumple con los requisitos de la materia prima.
El crecimiento cristalino es el proceso fundamental en la fabricación de sustratos de carburo de silicio, ya que determina sus propiedades eléctricas. Actualmente, los principales métodos para el crecimiento cristalino son la transferencia física de vapor (PVT), la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) y la epitaxia en fase líquida (LPE). De estos, el método PVT es el más utilizado para el crecimiento comercial de sustratos de SiC, debido a su mayor madurez técnica y su uso más extendido en ingeniería.
La preparación del sustrato de SiC es difícil, lo que conlleva su alto precio.
El control del campo de temperatura es complejo: el crecimiento de varillas de cristal de Si solo requiere 1500 °C, mientras que el de varillas de cristal de SiC necesita temperaturas superiores a 2000 °C. Existen más de 250 isómeros de SiC, pero la estructura monocristalina principal, 4H-SiC, utilizada en la producción de dispositivos de potencia, puede presentar otras estructuras cristalinas si no se controla con precisión. Además, el gradiente de temperatura en el crisol determina la velocidad de transferencia por sublimación del SiC, así como la disposición y el modo de crecimiento de los átomos gaseosos en la interfaz del cristal, lo que afecta la velocidad y la calidad del crecimiento cristalino. Por lo tanto, es necesario desarrollar una tecnología sistemática de control del campo de temperatura. En comparación con los materiales de Si, la producción de SiC también se diferencia en los procesos de alta temperatura, como la implantación iónica, la oxidación y la activación a alta temperatura, así como en el proceso de enmascaramiento duro requerido para dichos procesos.
Crecimiento lento de cristales: la tasa de crecimiento de las varillas de cristal de Si puede alcanzar entre 30 y 150 mm/h, y la producción de varillas de cristal de silicio de 1 a 3 m solo toma alrededor de 1 día; por ejemplo, las varillas de cristal de SiC con el método PVT tienen una tasa de crecimiento de aproximadamente 0,2 a 0,4 mm/h, y en 7 días crecen menos de 3 a 6 cm, lo que representa una tasa de crecimiento inferior al 1 % del material de silicio, por lo que la capacidad de producción es extremadamente limitada.
Parámetros de producto elevados y bajo rendimiento: los parámetros centrales del sustrato de SiC incluyen la densidad de microtúbulos, la densidad de dislocaciones, la resistividad, la deformación, la rugosidad superficial, etc. Se trata de una ingeniería de sistemas compleja para organizar los átomos en una cámara cerrada de alta temperatura y completar el crecimiento del cristal, controlando al mismo tiempo los índices de los parámetros.
El material presenta alta dureza, fragilidad, tiempos de corte prolongados y un alto desgaste: la dureza Mohs del SiC, de 9,25, solo es superada por el diamante, lo que dificulta considerablemente su corte, rectificado y pulido. Se requieren aproximadamente 120 horas para cortar entre 35 y 40 piezas de un lingote de 3 cm de espesor. Además, debido a la elevada fragilidad del SiC, el desgaste durante el procesamiento de las obleas es mayor, y el rendimiento se sitúa en torno al 60 %.
Tendencia de desarrollo: Aumento de tamaño + disminución de precio
El mercado global de líneas de producción en volumen de SiC de 6 pulgadas está alcanzando la madurez, y las empresas líderes ya han incursionado en el mercado de 8 pulgadas. Los proyectos de desarrollo nacionales se centran principalmente en 6 pulgadas. 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 para 6 pulgadas, la tecnología nacional de sustratos de SiC también está mejorando progresivamente, lo que se reflejará en las economías de escala de las líneas de producción de gran tamaño. El tiempo de espera para la producción en masa de obleas de 6 pulgadas en China se ha reducido a 7 años. El mayor tamaño de las obleas permite aumentar el número de chips individuales, mejorar el rendimiento y reducir la proporción de chips defectuosos en los bordes. Además, se mantendrá el costo de investigación y desarrollo y la pérdida de rendimiento en torno al 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 diodos Schottky de SiC (SBD). Los diodos Schottky de SiC de media y alta tensión presentan una buena estabilidad. En los sistemas de control de a bordo (OBC) de vehículos, el uso de diodos Schottky de SiC combinados con IGBT de Si permite alcanzar una densidad de corriente estable. En la actualidad, no existen barreras para el diseño de patentes de diodos Schottky de SiC en China, y la diferencia con otros países es mínima.
La tecnología SiC MOS aún presenta numerosas dificultades. Persiste una brecha entre los fabricantes de SiC MOS y los extranjeros, y la plataforma de fabricación correspondiente aún se encuentra en desarrollo. Actualmente, empresas como ST, Infineon y Rohm, entre otras, han logrado la producción en masa de SiC MOS de 600-1700 V y han firmado contratos con numerosas industrias manufactureras, incluyendo el envío de sus productos. Sin embargo, el diseño de SiC MOS en China está prácticamente finalizado, aunque varios fabricantes de diseño trabajan con las fábricas de obleas en la etapa de flujo de obleas. La verificación posterior por parte del cliente aún requiere tiempo, por lo que la comercialización a gran escala aún tardará bastante.
Actualmente, la estructura planar es la opción predominante, mientras que la estructura de ranura se utilizará ampliamente en aplicaciones de alta presión en el futuro. Existen numerosos fabricantes de MOSFET de SiC con estructura planar, la cual, en comparación con la estructura de ranura, presenta menor propensión a generar problemas de ruptura local que afecten la estabilidad de funcionamiento. En el mercado de tensiones inferiores a 1200 V, tiene un amplio rango de aplicaciones, y su fabricación es relativamente sencilla, lo que permite cumplir con los requisitos de facilidad de fabricación y control de costos. Los dispositivos de ranura, por su parte, ofrecen ventajas como 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 del 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, la limitación física de los dispositivos semiconductores basados en silicio se ha vuelto cada vez más evidente, y los materiales semiconductores de tercera generación, como el carburo de silicio (SiC), se están industrializando gradualmente. Desde el punto de vista del rendimiento del material, el carburo de silicio tiene una banda prohibida tres veces mayor que la del silicio, una rigidez dieléctrica crítica diez veces superior y una conductividad térmica tres veces mayor. Por lo tanto, los dispositivos de potencia de carburo de silicio son idóneos 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 de electrónica de potencia.
En la actualidad, los diodos y MOSFET de SiC se han ido introduciendo gradualmente en el mercado, y existen productos más consolidados. Entre ellos, los diodos de SiC se utilizan ampliamente en algunos campos en lugar de los diodos de silicio, ya que estos últimos no presentan la ventaja de la recuperación de carga inversa. Los MOSFET de SiC también se están empleando progresivamente en la automoción, el almacenamiento de energía, las estaciones de carga, la energía fotovoltaica y otros sectores. En el ámbito de las aplicaciones automotrices, la tendencia a la modularización es cada vez más marcada, y el rendimiento superior del SiC depende de procesos de encapsulado avanzados. Técnicamente, el sellado de carcasa, relativamente consolidado, es la tecnología predominante, pero en el futuro se prevé el desarrollo del sellado con plástico, cuyas características de desarrollo personalizado resultan más adecuadas para los módulos de SiC.
La caída del precio del carburo de silicio es tan rápida o inimaginable.
La aplicación de dispositivos de carburo de silicio se ve limitada principalmente por su elevado coste. El precio de un MOSFET de SiC del mismo nivel es cuatro veces superior al de un IGBT basado en silicio. Esto se debe a la complejidad del proceso de fabricación del carburo de silicio, en el que el crecimiento de monocristales y epitaxiales no solo es agresivo con el medio ambiente, sino que además la velocidad de crecimiento es lenta. El procesamiento del monocristal para su integración en el sustrato requiere procesos de corte y pulido. Debido a las características propias del material y a una tecnología de procesamiento aún en desarrollo, el rendimiento de los sustratos nacionales es inferior al 50%, y diversos factores contribuyen a los elevados precios de los sustratos y los materiales 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 costo total del dispositivo, respectivamente, sumando aproximadamente el 70 %. Los procesos de diseño, fabricación y 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, que representa alrededor del 50 %, mientras que el costo del sustrato representa solo el 7 %. Esta inversión en la cadena de valor de la industria del carburo de silicio implica que los fabricantes de epitaxia de sustratos, que se encuentran en la etapa inicial de la cadena de valor, tienen una posición dominante, lo cual es clave para la estrategia de las empresas nacionales e internacionales.
Desde la perspectiva dinámica del mercado, la reducción del costo del carburo de silicio, además de mejorar el proceso de cristalización y corte, implica aumentar el tamaño de las obleas. Esta estrategia, ya consolidada en el desarrollo de semiconductores, según datos de Wolfspeed, permite incrementar la producción de chips de calidad de 6 a 8 pulgadas, mejorando así el rendimiento y reduciendo el costo unitario total en un 50%.
2023 se conoce como el "primer año del SiC de 8 pulgadas". Este año, los fabricantes nacionales e internacionales de carburo de silicio están acelerando la implementación de este material. Por ejemplo, Wolfspeed ha realizado una importante inversión de 14.550 millones de dólares para ampliar su producción de carburo de silicio, incluyendo la construcción de una planta de fabricación de sustratos de SiC de 8 pulgadas. Esto garantizará el suministro futuro de metal desnudo de SiC de 200 mm a diversas empresas. Asimismo, las empresas nacionales Tianyue Advanced y Tianke Heda han firmado acuerdos a largo plazo con Infineon para el suministro de sustratos de carburo de silicio de 8 pulgadas en el futuro.
A partir de este año, el carburo de silicio pasará de fabricar chips de 6 a 8 pulgadas. Wolfspeed prevé que, para 2024, el coste unitario de los chips de 8 pulgadas, en comparación con los de 6 pulgadas en 2022, se reducirá en más del 60%. Esta disminución de costes impulsará aún más el mercado de aplicaciones, según datos de investigación de Ji Bond Consulting. Actualmente, la cuota de mercado de los productos de 8 pulgadas es inferior al 2%, y se espera que alcance aproximadamente el 15% para 2026.
De hecho, la tasa de descenso del precio del sustrato de carburo de silicio podría superar la imaginación de muchos. Actualmente, la oferta de mercado para el sustrato de 6 pulgadas es de 4000-5000 yuanes/unidad, una caída considerable respecto a principios de año, y se espera que el próximo año baje de los 4000 yuanes. Cabe destacar que algunos fabricantes, para ser los primeros en el mercado, han reducido el precio de venta por debajo del coste, dando inicio a una guerra de precios. Esta guerra se concentra principalmente en el sector de baja tensión, donde el suministro de sustratos de carburo de silicio ha sido relativamente suficiente. Los fabricantes nacionales y extranjeros están expandiendo agresivamente su capacidad de producción, lo que podría provocar una sobreoferta de sustratos de carburo de silicio antes de lo previsto.
Fecha de publicación: 19 de enero de 2024