Introducción al carburo de silicio.
El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor compuesto de carbono y silicio, que es uno de los materiales ideales para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y alto voltaje.En comparación con el material de silicio tradicional (Si), la banda prohibida del carburo de silicio es 3 veces mayor que la del silicio.La conductividad térmica es de 4 a 5 veces mayor que la del silicio;El voltaje de ruptura es de 8 a 10 veces mayor que el del silicio;La tasa de deriva de saturación electrónica es de 2 a 3 veces mayor que la del silicio, lo que satisface las necesidades de la industria moderna de alta potencia, alto voltaje y alta frecuencia.Se utiliza principalmente para la producción de componentes electrónicos de alta velocidad, alta frecuencia, alta potencia y emisores de luz.Los campos de aplicación posteriores incluyen redes inteligentes, vehículos de nueva energía, energía eólica fotovoltaica, comunicación 5G, etc. Se han aplicado comercialmente diodos de carburo de silicio y MOSFET.
Resistencia a altas temperaturas.El ancho de la banda prohibida del carburo de silicio es de 2 a 3 veces mayor que el del silicio, los electrones no son fáciles de cambiar a altas temperaturas y pueden soportar temperaturas de funcionamiento más altas, y la conductividad térmica del carburo de silicio es de 4 a 5 veces mayor que la del silicio. facilitando la disipación del calor del dispositivo y aumentando la temperatura límite de funcionamiento.La resistencia a altas temperaturas puede aumentar significativamente la densidad de potencia al tiempo que reduce los requisitos del sistema de refrigeración, haciendo que el terminal sea más ligero y pequeño.
Soporta alta presión.La intensidad del campo eléctrico de ruptura del carburo de silicio es 10 veces mayor que la del silicio, que puede soportar voltajes más altos y es más adecuado para dispositivos de alto voltaje.
Resistencia de alta frecuencia.El carburo de silicio tiene una tasa de deriva de electrones saturados dos veces mayor que la del silicio, lo que resulta en la ausencia de corriente residual durante el proceso de apagado, lo que puede mejorar efectivamente la frecuencia de conmutación del dispositivo y realizar la miniaturización del dispositivo.
Baja pérdida de energía.En comparación con el material de silicio, el carburo de silicio tiene una resistencia y una pérdida muy bajas.Al mismo tiempo, el alto ancho de banda prohibida del carburo de silicio reduce en gran medida la corriente de fuga y la pérdida de potencia.Además, el dispositivo de carburo de silicio no tiene un fenómeno de arrastre de corriente durante el proceso de apagado y la pérdida de conmutación es baja.
Cadena de la industria del carburo de silicio.
Incluye principalmente sustrato, epitaxia, diseño de dispositivos, fabricación, sellado, etc.El carburo de silicio desde el material hasta el dispositivo de potencia semiconductor experimentará crecimiento de monocristal, corte de lingotes, crecimiento epitaxial, diseño de obleas, fabricación, empaquetado y otros procesos.Después de la síntesis del polvo de carburo de silicio, primero se fabrica el lingote de carburo de silicio, luego se obtiene el sustrato de carburo de silicio cortando, moliendo y puliendo, y se obtiene la lámina epitaxial mediante crecimiento epitaxial.La oblea epitaxial se fabrica de carburo de silicio mediante litografía, grabado, implantación de iones, pasivación de metales y otros procesos, la oblea se corta en un troquel, el dispositivo se empaqueta y el dispositivo se combina en una carcasa especial y se ensambla en un módulo.
Upstream 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 y el mayor valor son el núcleo de la futura industrialización a gran escala del SiC.
Desde la perspectiva de las diferencias de propiedades electroquímicas, los materiales de sustrato de carburo de silicio se pueden dividir en sustratos conductores (región de resistividad 15~30 mΩ · cm) y sustratos semiaislados (resistividad superior a 105 Ω · cm).Estos dos tipos de sustratos se utilizan para fabricar dispositivos discretos, como dispositivos de energía 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 RF de nitruro de galio, dispositivos fotoeléctricos, etc.Al hacer crecer la capa epitaxial de gan sobre un sustrato de SIC semiaislado, se prepara la placa epitaxial de gan, que se puede preparar aún más en dispositivos de RF HEMT de isonitruro de gan.El sustrato conductor de carburo de silicio se utiliza principalmente en la fabricación de dispositivos de energía.A diferencia del proceso tradicional de fabricación de dispositivos de potencia de silicio, 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. La capa se fabrica en diodos Schottky, MOSFET, IGBT y otros dispositivos de potencia.
El polvo de carburo de silicio se sintetizó a partir de polvo de carbono de alta pureza y polvo de silicio de alta pureza, y se cultivaron diferentes tamaños de lingotes de carburo de silicio en un campo de temperatura especial, y luego se produjo el sustrato de carburo de silicio mediante múltiples procesos de procesamiento.El proceso central incluye:
Síntesis de materia prima: el polvo de silicio de alta pureza + el tóner se mezclan según la fórmula y la reacción se lleva a cabo en la cámara de reacción en condiciones de alta temperatura por encima de 2000 °C para sintetizar las partículas de carburo de silicio con un tipo de cristal y partícula específicos. tamaño.Luego, a través de los procesos de trituración, cribado, limpieza y otros, para cumplir con los requisitos de las materias primas en polvo de carburo de silicio de alta pureza.
El crecimiento de cristales es el proceso central de la fabricación de sustratos de carburo de silicio, que determina las propiedades eléctricas del sustrato de carburo de silicio.En la actualidad, 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 método principal para el crecimiento comercial de sustratos de SiC en la actualidad, 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 las varillas de cristal de Si solo necesita 1500 ℃, mientras que las varillas de cristal de SiC deben crecer a una temperatura alta por encima de 2000 ℃, y hay más de 250 isómeros de SiC, pero la estructura monocristalina principal de 4H-SiC para La producción de dispositivos de energía, si no un control preciso, obtendrá otras estructuras cristalinas.Además, el gradiente de temperatura en el crisol determina la tasa de transferencia de sublimación de SiC y la disposición y modo de crecimiento de los átomos gaseosos en la interfaz cristalina, lo que afecta la tasa de crecimiento y la calidad del cristal, por lo que es necesario formar un campo de temperatura sistemático. tecnología de control.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 30 ~ 150 mm/h, y la producción de una varilla de cristal de silicio de 1 a 3 m solo demora aproximadamente 1 día;Varilla de cristal de SiC con 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 limitado.
Altos parámetros del producto y bajo rendimiento: los parámetros centrales del sustrato de SiC incluyen densidad de microtúbulos, densidad de dislocación, resistividad, alabeo, 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 controla los índices de parámetros.
El material tiene alta dureza, alta fragilidad, largo tiempo de corte y alto desgaste: la dureza SiC Mohs de 9,25 es superada solo por el diamante, lo que conduce a un aumento significativo en la dificultad de corte, esmerilado y pulido, y se necesitan aproximadamente 120 horas para corte de 35 a 40 trozos de un lingote de 3 cm de grosor.Además, debido a la alta fragilidad del SiC, el desgaste del procesamiento de obleas será mayor y la relación de salida es solo de aproximadamente el 60%.
Tendencia de desarrollo: aumento de tamaño + disminución de precio
La línea de producción en volumen de 6 pulgadas del mercado mundial de SiC está madurando y empresas líderes han ingresado al mercado de 8 pulgadas.Los proyectos de desarrollo nacional son principalmente de 6 pulgadas.En la actualidad, aunque la mayoría de las empresas nacionales todavía se basan en líneas de producción de 4 pulgadas, pero la industria se está expandiendo gradualmente a 6 pulgadas, con la madurez de la tecnología de equipos de soporte de 6 pulgadas, la tecnología nacional de sustrato de SiC también está mejorando gradualmente las economías de La escala de las líneas de producción de gran tamaño se reflejará y el actual intervalo de tiempo de producción en masa nacional de 6 pulgadas se ha reducido a 7 años.El tamaño de oblea más grande puede provocar un aumento en el número de chips individuales, mejorar la tasa de rendimiento y reducir la proporción de chips de borde, y el costo de investigación y desarrollo y la pérdida de rendimiento se mantendrán en aproximadamente el 7%, mejorando así la oblea. utilización.
Todavía existen muchas dificultades en el diseño de dispositivos.
La comercialización de diodos de SiC está mejorando gradualmente; en la actualidad, varios fabricantes nacionales han diseñado productos SiC SBD, los productos SiC SBD de voltaje medio y alto tienen buena estabilidad, en el vehículo OBC, el uso de SiC SBD + SI IGBT para lograr estabilidad densidad actual.En la actualidad, no existen barreras en el diseño de patentes de productos SiC SBD en China, y la brecha con los países extranjeros es pequeña.
SiC MOS todavía tiene muchas dificultades, todavía existe una brecha entre SiC MOS y los fabricantes extranjeros y la plataforma de fabricación relevante aún está en construcción.En la actualidad, ST, Infineon, Rohm y otros MOS de SiC de 600-1700 V han logrado la producción en masa y han firmado y enviado a muchas industrias manufactureras, mientras que el diseño nacional actual de MOS de SiC se ha completado básicamente, varios fabricantes de diseños están trabajando con fábricas en la etapa de flujo de oblea y la verificación posterior del cliente aún necesitan algo de tiempo, por lo que todavía queda mucho tiempo para la comercialización a gran escala.
En la actualidad, la estructura plana es la opción principal y el tipo de zanja se utilizará ampliamente en el campo de alta presión en el futuro.Hay muchos fabricantes de estructura plana SiC MOS, la estructura plana no es fácil de producir problemas de ruptura local en comparación con la ranura, lo que afecta la estabilidad del trabajo, en el mercado por debajo de 1200 V tiene una amplia gama de valores de aplicación, y la estructura plana es relativamente Simple en el extremo de fabricación, para cumplir con los dos aspectos de capacidad de fabricación y control de costos.El dispositivo de ranura tiene las ventajas de una inductancia parásita extremadamente baja, una velocidad de conmutación rápida, 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 cuello de botella del límite físico de los dispositivos semiconductores basados en silicio se ha vuelto gradualmente prominente, y los materiales semiconductores de tercera generación representados por el carburo de silicio (SiC) se han vuelto gradualmente más prominentes. industrializarse.Desde el punto de vista del rendimiento del material, el carburo de silicio tiene 3 veces el ancho de banda prohibida del material de silicio, 10 veces la intensidad del campo eléctrico de ruptura crítica, 3 veces la conductividad térmica, por lo que los dispositivos de potencia de carburo de silicio son adecuados para alta frecuencia y alta presión. Las altas temperaturas y otras aplicaciones ayudan 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 ido introduciendo gradualmente en el mercado, y hay productos más maduros, entre los cuales los diodos de SiC se utilizan ampliamente en lugar de los diodos de silicio en algunos campos porque no tienen la ventaja de la carga de recuperación inversa;El MOSFET de SiC también se utiliza gradualmente en los campos de la automoción, el almacenamiento de energía, la pila de carga, la energía fotovoltaica y otros;En el campo de las aplicaciones automotrices, la tendencia a la modularización se está volviendo cada vez más prominente; el rendimiento superior del SiC debe depender de procesos de envasado avanzados para lograr, técnicamente con un sellado de carcasa relativamente maduro como corriente principal, el futuro o el desarrollo de sellado de plástico. , sus características de desarrollo personalizadas son más adecuadas para módulos de SiC.
Velocidad de caída del precio del carburo de silicio o más allá de la imaginación
La aplicación de dispositivos de carburo de silicio está limitada principalmente por el alto costo, el precio del MOSFET de SiC bajo el mismo nivel es 4 veces mayor que el de los IGBT basados en Si, esto se debe a que el proceso del carburo de silicio es complejo, en el cual el crecimiento de El monocristal y el epitaxial no solo son perjudiciales para el medio ambiente, sino que también la tasa de crecimiento es lenta y el procesamiento del monocristal en el sustrato debe pasar por el proceso de corte y pulido.Según las características de su propio material y la tecnología de procesamiento inmadura, el rendimiento del sustrato nacional es inferior al 50% y varios factores conducen a precios elevados del sustrato y del epitaxial.
Sin embargo, la composición de costos de los dispositivos de carburo de silicio y los dispositivos basados en silicio es diametralmente opuesta, los costos de sustrato y epitaxial del canal frontal representan el 47% y el 23% de todo el dispositivo respectivamente, totalizando alrededor del 70%, el diseño y fabricación del dispositivo. y los enlaces de 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 aproximadamente el 50%, y el costo del sustrato representa solo el 7%.El fenómeno del valor de la cadena industrial del carburo de silicio al revés significa que los fabricantes de epitaxia de sustratos ascendentes tienen el derecho fundamental a hablar, que es la clave para el diseño de las empresas nacionales y extranjeras.
Desde el punto de vista dinámico del mercado, reducir el costo del carburo de silicio, además de mejorar el proceso de corte y cristal largo del carburo de silicio, es expandir el tamaño de la oblea, que también es el camino maduro en el desarrollo de semiconductores en el pasado. Los datos de Wolfspeed muestran que al actualizar el sustrato de carburo de silicio de 6 pulgadas a 8 pulgadas, la producción de chips calificados puede aumentar entre un 80% y un 90% y ayudar a mejorar el rendimiento.Puede reducir el costo unitario combinado en un 50%.
2023 se conoce como el "primer año de SiC de 8 pulgadas". Este año, los fabricantes nacionales y extranjeros de carburo de silicio están acelerando el diseño del carburo de silicio de 8 pulgadas, como la loca inversión de Wolfspeed de 14,55 mil millones de dólares estadounidenses para la expansión de 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 garantizar el suministro futuro de metal desnudo de SiC de 200 mm a varias empresas;Las nacionales Tianyue Advanced y Tianke Heda también firmaron 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 se acelerará de 6 pulgadas a 8 pulgadas, Wolfspeed espera que para 2024, el costo unitario del chip de sustrato de 8 pulgadas en comparación con el costo unitario del chip de sustrato de 6 pulgadas en 2022 se reduzca en más del 60%. , y la disminución de costos abrirá aún más el mercado de aplicaciones, señalaron los 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 crezca hasta aproximadamente el 15% para 2026.
De hecho, la tasa de caída en el precio del sustrato de carburo de silicio puede exceder 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, es Se espera que caiga por debajo de los 4.000 yuanes el próximo año, vale la pena señalar que algunos fabricantes, para conseguir el primer mercado, han reducido el precio de venta a la línea de costos inferior, abriendo el modelo de la guerra de precios, concentrado principalmente en el sustrato de carburo de silicio. El suministro ha sido relativamente suficiente en el campo de bajo voltaje, los fabricantes nacionales y extranjeros están expandiendo agresivamente la capacidad de producción o dejando que el sustrato de carburo de silicio tenga un exceso de oferta antes de lo imaginado.
Hora de publicación: 19 de enero de 2024