Introduktion til siliciumcarbid
Siliciumcarbid (SiC) er et sammensat halvledermateriale bestående af kulstof og silicium, som er et af de ideelle materialer til fremstilling af højtemperatur-, højfrekvente-, højeffekt- og højspændingsenheder. Sammenlignet med det traditionelle siliciummateriale (Si) er båndgabet for siliciumcarbid 3 gange så stort som for silicium. Den termiske ledningsevne er 4-5 gange så stor som for silicium; gennemslagsspændingen er 8-10 gange så stor som for silicium; den elektroniske mætningsdriftshastighed er 2-3 gange så stor som for silicium, hvilket opfylder den moderne industris behov for høj effekt, høj spænding og høj frekvens. Det bruges hovedsageligt til produktion af højhastigheds-, højfrekvente-, højeffekt- og lysudstrålende elektroniske komponenter. Downstream-applikationsområder omfatter smart grid, nye energikøretøjer, solcellevindkraft, 5G-kommunikation osv. Siliciumcarbiddioder og MOSFET'er er blevet anvendt kommercielt.
Høj temperaturmodstand. Båndgabet for siliciumcarbid er 2-3 gange så bredt som for silicium, elektronerne er ikke lette at omdanne ved høje temperaturer og kan modstå højere driftstemperaturer, og siliciumcarbids termiske ledningsevne er 4-5 gange så bred som for silicium, hvilket gør enhedens varmeafledning lettere og den begrænsede driftstemperatur højere. Den høje temperaturmodstand kan øge effekttætheden betydeligt, samtidig med at kravene til kølesystemet reduceres, hvilket gør terminalen lettere og mindre.
Modstå højt tryk. Siliciumcarbids gennemslagsfeltstyrke er 10 gange højere end siliciums, som kan modstå højere spændinger og er mere egnet til højspændingsenheder.
Højfrekvensmodstand. Siliciumcarbid har en mættet elektrondriftshastighed, der er dobbelt så høj som silicium, hvilket resulterer i fravær af strømafvigelse under nedlukningsprocessen, hvilket effektivt kan forbedre enhedens switchfrekvens og realisere enhedens miniaturisering.
Lavt energitab. Sammenlignet med siliciummateriale har siliciumcarbid en meget lav tændingsmodstand og lavt tændingstab. Samtidig reducerer siliciumcarbidets høje båndgabsbredde lækstrømmen og effekttabet betydeligt. Derudover har siliciumcarbid-enheden ikke strømslæb under nedlukningsprocessen, og koblingstabet er lavt.
Siliciumcarbid industrikæde
Det omfatter hovedsageligt substrat, epitaksi, enhedsdesign, fremstilling, forsegling og så videre. Siliciumcarbid fra materialet til halvleder-effektkomponenten vil gennemgå enkeltkrystalvækst, ingotsskæring, epitaksial vækst, waferdesign, fremstilling, pakning og andre processer. Efter syntesen af siliciumcarbidpulver fremstilles først siliciumcarbidbarren, og derefter opnås siliciumcarbidsubstratet ved skæring, slibning og polering, og den epitaksiale plade opnås ved epitaksial vækst. Den epitaksiale wafer er fremstillet af siliciumcarbid gennem litografi, ætsning, ionimplantation, metalpassivering og andre processer, waferen skæres til matrice, enheden pakkes, og enheden kombineres til en speciel skal og samles til et modul.
Opstrøms for industrikæde 1: substrat - krystalvækst er det centrale procesled
Siliciumcarbidsubstrat tegner sig for omkring 47% af omkostningerne ved siliciumcarbid-enheder, den højeste produktionstekniske barriere, den største værdi, og er kernen i den fremtidige storskala industrialisering af SiC.
Ud fra et perspektiv af forskelle i elektrokemiske egenskaber kan siliciumcarbidsubstratmaterialer opdeles i ledende substrater (resistivitetsområde 15~30 mΩ·cm) og halvisolerede substrater (resistivitet højere end 105 Ω·cm). Disse to typer substrater bruges til at fremstille diskrete enheder såsom henholdsvis strømforsyningsenheder og radiofrekvensenheder efter epitaksialt vækst. Blandt dem anvendes halvisoleret siliciumcarbidsubstrat hovedsageligt til fremstilling af galliumnitrid RF-enheder, fotoelektriske enheder osv. Ved at dyrke et gan epitaksialt lag på det halvisolerede SIC-substrat fremstilles den sic epitaksiale plade, som yderligere kan fremstilles til HEMT gan iso-nitrid RF-enheder. Ledende siliciumcarbidsubstrat anvendes hovedsageligt til fremstilling af strømforsyningsenheder. I modsætning til den traditionelle fremstillingsproces for silicium-strømforsyningskomponenter kan siliciumcarbid-strømforsyningskomponenter ikke fremstilles direkte på siliciumcarbidsubstratet. Det epitaksiale lag af siliciumcarbid skal dyrkes på det ledende substrat for at opnå det epitaksiale ark af siliciumcarbid, og det epitaksiale lag fremstilles på Schottky-dioder, MOSFET'er, IGBT'er og andre strømforsyningskomponenter.
Siliciumcarbidpulver blev syntetiseret fra kulstofpulver med høj renhed og siliciumpulver med høj renhed, og forskellige størrelser af siliciumcarbidbarrer blev dyrket under et særligt temperaturfelt, og derefter blev siliciumcarbidsubstratet produceret gennem flere forarbejdningsprocesser. Kerneprocessen omfatter:
Råmaterialesyntese: Siliciumpulver med høj renhed + toner blandes i henhold til formlen, og reaktionen udføres i reaktionskammeret under høje temperaturer over 2000 °C for at syntetisere siliciumcarbidpartikler med specifik krystaltype og partikelstørrelse. Derefter gennemgår de knusning, sigtning, rensning og andre processer for at opfylde kravene til råmaterialer af siliciumcarbidpulver med høj renhed.
Krystalvækst er kerneprocessen i fremstillingen af siliciumcarbidsubstrater, som bestemmer de elektriske egenskaber af siliciumcarbidsubstrater. I øjeblikket er de vigtigste metoder til krystalvækst fysisk dampoverførsel (PVT), højtemperaturkemisk dampaflejring (HT-CVD) og flydende faseepitaksi (LPE). Blandt disse er PVT-metoden den mest almindelige metode til kommerciel vækst af SiC-substrater i øjeblikket, med den højeste tekniske modenhed og den mest udbredte inden for ingeniørvidenskab.
Fremstillingen af SiC-substrat er vanskelig, hvilket fører til dets høje pris.
Temperaturfeltkontrol er vanskelig: Si-krystalstænger skal kun dyrkes ved 1500 ℃, mens SiC-krystalstænger skal dyrkes ved en høj temperatur over 2000 ℃, og der er mere end 250 SiC-isomerer, men den primære 4H-SiC-enkeltkrystalstruktur til produktion af kraftenheder vil, hvis den ikke kontrolleres præcist, få andre krystalstrukturer. Derudover bestemmer temperaturgradienten i diglen hastigheden af SiC-sublimeringsoverførsel og arrangementet og vækstmåden af gasformige atomer på krystalgrænsefladen, hvilket påvirker krystalvæksthastigheden og krystalkvaliteten, så det er nødvendigt at danne en systematisk temperaturfeltkontrolteknologi. Sammenlignet med Si-materialer er forskellen i SiC-produktion også i højtemperaturprocesser såsom højtemperaturionimplantation, højtemperaturoxidation, højtemperaturaktivering og den hårdmaskeproces, der kræves af disse højtemperaturprocesser.
Langsom krystalvækst: Væksthastigheden for Si-krystalstave kan nå 30 ~ 150 mm/t, og produktionen af 1-3 m siliciumkrystalstave tager kun omkring 1 dag; SiC-krystalstave med PVT-metoden som et eksempel, væksthastigheden er omkring 0,2-0,4 mm/t, 7 dage om at vokse mindre end 3-6 cm, væksthastigheden er mindre end 1% af siliciummaterialet, produktionskapaciteten er ekstremt begrænset.
Høje produktparametre og lavt udbytte: Kerneparametrene for SiC-substrat inkluderer mikrotubuli-tæthed, dislokationstæthed, resistivitet, vridning, overfladeruhed osv. Det er et komplekst system til at arrangere atomer i et lukket højtemperaturkammer og fuldføre krystalvækst, samtidig med at parameterindekser kontrolleres.
Materialet har høj hårdhed, høj sprødhed, lang skæretid og høj slidstyrke: SiC Mohs-hårdheden på 9,25 er kun overgået af diamant, hvilket fører til en betydelig stigning i vanskeligheden ved skæring, slibning og polering, og det tager cirka 120 timer at skære 35-40 stykker af en 3 cm tyk barre. Derudover vil sliddet under waferbearbejdningen på grund af SiC's høje sprødhed være højere, og outputforholdet er kun omkring 60%.
Udviklingstendens: Størrelsesforøgelse + prisfald
Det globale SiC-marked for 6-tommer produktionslinjer er ved at modnes, og førende virksomheder er kommet ind på 8-tommer markedet. Indenlandske udviklingsprojekter er primært 6 tommer. Selvom de fleste indenlandske virksomheder stadig er baseret på 4-tommer produktionslinjer, udvider industrien sig gradvist til 6 tommer. Med modningen af 6-tommer udstyrsteknologi forbedres den indenlandske SiC-substratteknologi også gradvist. Stordriftsfordelene ved store produktionslinjer vil blive afspejlet, og den nuværende tidsforskel i indenlandsk masseproduktion af 6 tommer er indsnævret til 7 år. Den større waferstørrelse kan medføre en stigning i antallet af enkeltchips, forbedre udbyttet og reducere andelen af kantchips, og omkostningerne til forskning og udvikling samt udbyttetab vil blive holdt på omkring 7%, hvilket forbedrer waferudnyttelsen.
Der er stadig mange vanskeligheder med enhedsdesign
Kommercialiseringen af SiC-dioder forbedres gradvist. I øjeblikket har en række indenlandske producenter designet SiC SBD-produkter. Mellem- og højspændings SiC SBD-produkter har god stabilitet. I køretøjers OBC'er opnås en stabil strømtæthed ved at bruge SiC SBD + SI IGBT. I øjeblikket er der ingen barrierer for patentdesign af SiC SBD-produkter i Kina, og forskellen til udlandet er lille.
SiC MOS har stadig mange vanskeligheder, der er stadig en kløft mellem SiC MOS og udenlandske producenter, og den relevante produktionsplatform er stadig under opbygning. I øjeblikket har ST, Infineon, Rohm og andre 600-1700V SiC MOS opnået masseproduktion og underskrevet og leveret til mange fremstillingsindustrier, mens det nuværende indenlandske SiC MOS-design stort set er færdigt, arbejder en række designproducenter med fabrikker i waferflow-stadiet, og senere kundeverifikation tager stadig noget tid, så der er stadig lang tid fra storskala kommercialisering.
I øjeblikket er den plane struktur det almindelige valg, og rendetypen vil i vid udstrækning blive brugt inden for højtryksområdet i fremtiden. Der findes mange producenter af SiC MOS med plan struktur. Den plane struktur er ikke let at producere lokale nedbrudsproblemer sammenlignet med rillen, hvilket påvirker arbejdsstabiliteten. På markedet under 1200V har den en bred vifte af anvendelsesværdier, og den plane struktur er relativt enkel i fremstillingsenden for at opfylde både fremstillingsmuligheder og omkostningskontrol. Rilleanordningen har fordelene ved ekstremt lav parasitisk induktans, hurtig skiftehastighed, lavt tab og relativt høj ydeevne.
2--Nyheder om SiC-wafere
Markedsvækst i siliciumcarbidproduktion og salg, vær opmærksom på strukturel ubalance mellem udbud og efterspørgsel
Med den hurtige vækst i markedets efterspørgsel efter højfrekvente og højtydende effektelektronik er den fysiske flaskehals i siliciumbaserede halvlederkomponenter gradvist blevet fremtrædende, og tredjegenerations halvledermaterialer repræsenteret af siliciumcarbid (SiC) er gradvist blevet industrialiseret. Fra et materialepræstationssynspunkt har siliciumcarbid 3 gange båndgabsbredden i forhold til siliciummaterialer, 10 gange den kritiske elektriske feltstyrke ved gennembrud og 3 gange den termiske ledningsevne, så siliciumcarbid-effektkomponenter er velegnede til højfrekvente, højtryks-, højtemperatur- og andre applikationer og bidrager til at forbedre effektiviteten og effekttætheden i effektelektroniske systemer.
I øjeblikket er SiC-dioder og SiC MOSFET'er gradvist kommet på markedet, og der er mere modne produkter, hvoraf SiC-dioder i vid udstrækning anvendes i stedet for siliciumbaserede dioder på nogle områder, fordi de ikke har fordelen af omvendt genopladning. SiC MOSFET'er anvendes også gradvist inden for bilindustrien, energilagring, ladestabler, solceller og andre områder. Inden for bilindustrien bliver tendensen til modularisering mere og mere fremtrædende, og SiC's overlegne ydeevne skal baseres på avancerede emballeringsprocesser for at opnå den. Teknisk set er den relativt modne skalforsegling som mainstream og er fremtiden for udvikling af plastforseglinger. Dens tilpassede udviklingsegenskaber er mere egnede til SiC-moduler.
Prisfaldet på siliciumcarbid falder hurtigt eller ud over fantasien
Anvendelsen af siliciumcarbid-enheder er primært begrænset af den høje pris. Prisen på SiC MOSFET'er er fire gange højere end prisen på Si-baserede IGBT'er. Dette skyldes, at siliciumcarbidprocessen er kompleks, hvor væksten af enkeltkrystaller og epitaksi ikke kun er barsk for miljøet, men også vækstraten er langsom, og enkeltkrystallernes bearbejdning til substratet skal gennemgå en skære- og poleringsproces. Baseret på materialets egenskaber og umodne bearbejdningsteknologi er udbyttet af husholdningssubstrater mindre end 50 %, og forskellige faktorer fører til høje priser på substrater og epitaksi.
Omkostningssammensætningen for siliciumcarbid-enheder og siliciumbaserede enheder er imidlertid diametralt modsat. Substrat- og epitaksiomkostningerne for frontkanalen tegner sig for henholdsvis 47 % og 23 % af den samlede enhed, i alt ca. 70 %, enhedens design, fremstilling og forsegling af bagkanalen tegner sig kun for 30 %, produktionsomkostningerne for siliciumbaserede enheder er hovedsageligt koncentreret omkring waferfremstilling af bagkanalen på ca. 50 %, og substratomkostningerne tegner sig kun for 7 %. Fænomenet med værdien af siliciumcarbidindustriens kæde på hovedet betyder, at opstrøms substratepitaksiproducenter har den centrale ret til at tale, hvilket er nøglen til layoutet af indenlandske og udenlandske virksomheder.
Fra et dynamisk markedsperspektiv er reduktion af omkostningerne ved siliciumcarbid, udover at forbedre siliciumcarbids lange krystal og opskæringsprocessen, også en udvidelse af waferstørrelsen, hvilket også har været den modne vej for halvlederudvikling tidligere. Wolfspeed-data viser, at opgraderingen af siliciumcarbidsubstrat fra 6 tommer til 8 tommer kan øge produktionen af kvalificerede chip med 80%-90% og bidrage til at forbedre udbyttet. Det kan reducere de samlede enhedsomkostninger med 50%.
2023 er kendt som "8-tommer SiC's første år". I år accelererer indenlandske og udenlandske siliciumcarbidproducenter udbygningen af 8-tommer siliciumcarbid. Wolfspeed har investeret 14,55 milliarder amerikanske dollars i udvidelse af siliciumcarbidproduktionen, hvoraf en vigtig del er opførelsen af et 8-tommer SiC-substratproduktionsanlæg. For at sikre fremtidig levering af 200 mm SiC-råmetal til en række virksomheder har de indenlandske Tianyue Advanced og Tianke Heda også underskrevet langsigtede aftaler med Infineon om at levere 8-tommer siliciumcarbidsubstrater i fremtiden.
Fra i år vil siliciumcarbid accelerere fra 6 tommer til 8 tommer. Wolfspeed forventer, at enhedsprisen for et 8-tommer substrat vil blive reduceret med mere end 60 % i 2024 sammenlignet med enhedsprisen for et 6-tommer substrat i 2022, og omkostningsfaldet vil yderligere åbne applikationsmarkedet, påpeger Ji Bond Consultings forskningsdata. Den nuværende markedsandel for 8-tommer produkter er mindre end 2 %, og markedsandelen forventes at vokse til omkring 15 % i 2026.
Faktisk kan faldet i prisen på siliciumcarbidsubstrat overstige mange menneskers fantasi. Det nuværende markedsudbud af 6-tommer substrat er 4000-5000 yuan/stk. Sammenlignet med begyndelsen af året er prisen faldet betydeligt og forventes at falde til under 4000 yuan næste år. Det er værd at bemærke, at nogle producenter for at komme ind på markedet har reduceret salgsprisen til en lavere prisgrænse. Der er opstået en priskrig, der primært er koncentreret om udbuddet af siliciumcarbidsubstrat inden for lavspænding. Indenlandske og udenlandske producenter udvider deres produktionskapacitet aggressivt, eller overudbuddet af siliciumcarbidsubstrater er gået tidligere end forventet.
Opslagstidspunkt: 19. januar 2024