Introduktion til siliciumcarbid
Siliciumcarbid (SiC) er et sammensat halvledermateriale sammensat af kulstof og silicium, som er et af de ideelle materialer til fremstilling af højtemperatur-, højfrekvens-, højeffekt- og højspændingsenheder.Sammenlignet med det traditionelle siliciummateriale (Si) er båndgabet for siliciumcarbid 3 gange større end silicium.Den termiske ledningsevne er 4-5 gange den for silicium;Nedbrydningsspændingen er 8-10 gange den for silicium;Den elektroniske mætningsafdriftshastighed er 2-3 gange større end silicium, hvilket opfylder moderne industris behov for høj effekt, høj spænding og høj frekvens.Det bruges hovedsageligt til produktion af højhastigheds-, højfrekvente, højeffekt- og lysemitterende elektroniske komponenter.De efterfølgende anvendelsesområder omfatter smart grid, nye energikøretøjer, solcellevindkraft, 5G-kommunikation osv. Siliciumcarbiddioder og MOSFET'er er blevet anvendt kommercielt.
Høj temperatur modstand.Båndgabets bredde af siliciumcarbid er 2-3 gange større end for silicium, elektronerne er ikke nemme at omstille ved høje temperaturer og kan modstå højere driftstemperaturer, og den termiske ledningsevne af siliciumcarbid er 4-5 gange så stor som silicium, hvilket gør enhedens varmeafledning lettere og grænsen for driftstemperaturen højere.Den høje temperaturmodstand kan øge effekttætheden markant og samtidig reducere kravene til kølesystemet, hvilket gør terminalen lettere og mindre.
Tåler højt tryk.Den elektriske nedbrydningsstyrke for siliciumcarbid er 10 gange større end silicium, som kan modstå højere spændinger og er mere velegnet til højspændingsenheder.
Højfrekvent modstand.Siliciumcarbid har en mættet elektrondriftshastighed, der er dobbelt så stor som silicium, hvilket resulterer i fravær af strømafgang under nedlukningsprocessen, hvilket effektivt kan forbedre enhedens omskiftningsfrekvens og realisere miniaturiseringen af enheden.
Lavt energitab.Sammenlignet med siliciummateriale har siliciumcarbid meget lav modstandsdygtighed og lavt on-tab.Samtidig reducerer den høje båndgab-bredde af siliciumcarbid i høj grad lækstrømmen og strømtabet.Derudover har siliciumcarbidenheden ikke aktuelt efterløbsfænomen under nedlukningsprocessen, og koblingstabet er lavt.
Siliciumcarbid industrikæde
Det omfatter hovedsageligt substrat, epitaksi, enhedsdesign, fremstilling, forsegling og så videre.Siliciumcarbid fra materialet til halvlederkraftenheden vil opleve enkeltkrystalvækst, ingot-udskæring, epitaksial vækst, waferdesign, fremstilling, emballering og andre processer.Efter syntesen af siliciumcarbidpulver fremstilles siliciumcarbidbarren først, og derefter opnås siliciumcarbidsubstratet ved udskæring, slibning og polering, og epitaksialpladen opnås ved epitaksial vækst.Den epitaksiale wafer er lavet af siliciumcarbid gennem litografi, ætsning, ionimplantation, metalpassivering og andre processer, waferen skæres i matrice, enheden pakkes, og enheden kombineres i en speciel skal og samles til et modul.
Opstrøms for industriens kæde 1: substrat - krystalvækst er kerneprocesleddet
Siliciumcarbidsubstrat tegner sig for omkring 47% af prisen på siliciumcarbidenheder, de højeste produktionstekniske barrierer, den største værdi, er kernen i den fremtidige storskala-industrialisering af SiC.
Fra perspektivet af forskelle i elektrokemiske egenskaber kan siliciumcarbidsubstratmaterialer opdeles i ledende substrater (resistivitetsområde 15~30mΩ·cm) og halvisolerede substrater (resistivitet højere end 105Ω·cm).Disse to slags substrater bruges til at fremstille diskrete enheder, såsom kraftenheder og radiofrekvensenheder henholdsvis efter epitaksial vækst.Blandt dem bruges halvisoleret siliciumcarbidsubstrat hovedsagelig til fremstilling af galliumnitrid RF-enheder, fotoelektriske enheder og så videre.Ved at dyrke gan-epitaksialt lag på semi-isoleret SIC-substrat fremstilles den sic-epitaksiale plade, som kan forberedes yderligere i HEMT gan-iso-nitrid RF-enheder.Ledende siliciumcarbidsubstrat bruges hovedsageligt til fremstilling af strømforsyninger.Forskellig fra den traditionelle fremstillingsproces for siliciumkraftenheder kan siliciumcarbidkraftenheden ikke fremstilles direkte på siliciumcarbidsubstratet, det epitaksiale siliciumcarbidlag skal dyrkes på det ledende substrat for at opnå siliciumcarbid-epitaksialpladen og epitaksialet. laget er fremstillet på Schottky-dioden, MOSFET, IGBT og andre strømenheder.
Siliciumcarbidpulver blev syntetiseret fra kulstofpulver med høj renhed og siliciumpulver med høj renhed, og forskellige størrelser af siliciumcarbidbarre blev dyrket under et særligt temperaturfelt, og derefter blev siliciumcarbidsubstrat fremstillet gennem flere forarbejdningsprocesser.Kerneprocessen omfatter:
Råmaterialesyntese: Det højrent siliciumpulver + toner blandes i overensstemmelse med formlen, og reaktionen udføres i reaktionskammeret under højtemperaturforhold over 2000°C for at syntetisere siliciumcarbidpartiklerne med specifik krystaltype og partikel størrelse.Derefter gennem knusning, screening, rengøring og andre processer, for at opfylde kravene til høj renhed siliciumcarbid pulver råvarer.
Krystalvækst er kerneprocessen ved fremstilling af siliciumcarbidsubstrat, som bestemmer siliciumcarbidsubstratets elektriske egenskaber.På nuværende tidspunkt er de vigtigste metoder til krystalvækst fysisk dampoverførsel (PVT), kemisk dampaflejring ved høj temperatur (HT-CVD) og væskefase-epitaksi (LPE).Blandt dem er PVT-metoden mainstream-metoden til kommerciel vækst af SiC-substrat på nuværende tidspunkt, med den højeste tekniske modenhed og den mest udbredte inden for teknik.
Forberedelse af SiC-substrat er vanskelig, hvilket fører til dets høje pris
Temperaturfeltkontrol er vanskelig: Si-krystalstavvækst behøver kun 1500 ℃, mens SiC-krystalstang skal dyrkes ved en høj temperatur over 2000 ℃, og der er mere end 250 SiC-isomerer, men den vigtigste 4H-SiC-enkeltkrystalstruktur for produktionen af magt enheder, hvis ikke præcis kontrol, vil få andre krystal strukturer.Derudover bestemmer temperaturgradienten i diglen hastigheden af SiC-sublimeringsoverførsel og arrangementet og væksttilstanden af gasformige atomer på krystalgrænsefladen, hvilket påvirker krystalvæksthastigheden og krystalkvaliteten, så det er nødvendigt at danne et systematisk temperaturfelt styreteknologi.Sammenlignet med Si-materialer er forskellen i SiC-produktion også i højtemperaturprocesser såsom højtemperaturionimplantation, højtemperaturoxidation, højtemperaturaktivering og den hårde maskeproces, der kræves af disse højtemperaturprocesser.
Langsom krystalvækst: Si-krystalstavens væksthastighed kan nå 30 ~ 150 mm/t, og produktionen af 1-3m siliciumkrystalstang tager kun omkring 1 dag;SiC krystalstang med PVT-metode som et eksempel, væksthastigheden er omkring 0,2-0,4 mm/h, 7 dage til 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 omfatter mikrotubuli-densitet, dislokationstæthed, resistivitet, vridning, overfladeruhed osv. Det er en kompleks systemkonstruktion at arrangere atomer i et lukket højtemperaturkammer og fuldstændig krystalvækst, mens du kontrollerer parameterindekser.
Materialet har høj hårdhed, høj skørhed, lang skæretid og højt slid: SiC Mohs hårdhed på 9,25 er næst efter diamant, hvilket fører til en betydelig stigning i sværhedsgraden ved skæring, slibning og polering, og det tager cirka 120 timer at skær 35-40 stykker af en 3 cm tyk barre.På grund af den høje skørhed af SiC vil waferbehandlingsslitage desuden være mere, og outputforholdet er kun omkring 60%.
Udviklingstendens: Størrelsesstigning + prisfald
Det globale SiC-marked 6-tommer volumen produktionslinje er ved at modnes, og førende virksomheder er gået ind på 8-tommer markedet.Indenlandske udviklingsprojekter er hovedsageligt 6 tommer.På nuværende tidspunkt, selv om de fleste indenlandske virksomheder stadig er baseret på 4-tommer produktionslinjer, men industrien udvides gradvist til 6-tommer, med modenheden af 6-tommers understøttende udstyrsteknologi, forbedrer indenlandsk SiC-substratteknologi også gradvist økonomierne i omfanget af store produktionslinjer vil blive afspejlet, og den nuværende indenlandske 6-tommer masseproduktion tidsforskel er indsnævret til 7 år.Den større waferstørrelse kan medføre en stigning i antallet af enkeltspåner, forbedre udbyttegraden og reducere andelen af kantspåner, og omkostningerne til forskning og udvikling og udbyttetab vil blive fastholdt på omkring 7 %, hvorved waferen forbedres udnyttelse.
Der er stadig mange vanskeligheder i enhedsdesign
Kommercialiseringen af SiC-dioder forbedres gradvist, på nuværende tidspunkt har en række indenlandske producenter designet SiC SBD-produkter, mellem- og højspændings SiC SBD-produkter har god stabilitet, i køretøjets OBC, brugen af SiC SBD+SI IGBT for at opnå stabil strømtæthed.På nuværende tidspunkt er der ingen barrierer i patentdesignet af SiC SBD-produkter i Kina, og kløften med udlandet er lille.
SiC MOS har stadig mange vanskeligheder, der er stadig et hul mellem SiC MOS og oversøiske producenter, og den relevante produktionsplatform er stadig under opbygning.På nuværende tidspunkt har ST, Infineon, Rohm og andre 600-1700V SiC MOS opnået masseproduktion og underskrevet og sendt med mange fremstillingsindustrier, mens det nuværende indenlandske SiC MOS-design stort set er afsluttet, arbejder en række designproducenter med fabs på wafer flow-stadiet, og senere kundeverifikation kræver stadig noget tid, så der er stadig lang tid fra storskala kommercialisering.
På nuværende tidspunkt er den plane struktur det almindelige valg, og skyttegravstypen er meget udbredt i højtryksfeltet i fremtiden.Plan struktur SiC MOS-producenter er mange, den plane struktur er ikke let at producere lokale nedbrydningsproblemer sammenlignet med rillen, hvilket påvirker stabiliteten af arbejdet, på markedet under 1200V har en bred vifte af anvendelsesværdi, og den plane struktur er relativt enkel i fremstillingen ende, for at opfylde fremstillingsevnen og omkostningskontrol to aspekter.Rilleanordningen har fordelene ved ekstremt lav parasitisk induktans, hurtig omskiftningshastighed, lavt tab og relativt høj ydeevne.
2--SiC wafer nyheder
Siliciumcarbid markedsproduktion og salgsvækst, vær opmærksom på strukturel ubalance mellem udbud og efterspørgsel
Med den hurtige vækst i markedsefterspørgslen efter højfrekvent og højeffekts elektronik er den fysiske grænseflaskehals for siliciumbaserede halvlederenheder gradvist blevet fremtrædende, og tredje generations halvledermaterialer repræsenteret af siliciumcarbid (SiC) er gradvist blevet fremtrædende. blive industrialiseret.Fra materialets ydeevnesynspunkt har siliciumcarbid 3 gange båndgabets bredde af siliciummateriale, 10 gange den kritiske elektriske feltstyrke, 3 gange den termiske ledningsevne, så siliciumcarbidkraftenheder er velegnede til højfrekvens, højt tryk, høj temperatur og andre applikationer, hjælper med at forbedre effektiviteten og effekttætheden af kraftelektroniske systemer.
På nuværende tidspunkt er SiC-dioder og SiC-MOSFET'er gradvist flyttet til markedet, og der er mere modne produkter, blandt hvilke SiC-dioder er meget udbredt i stedet for siliciumbaserede dioder på nogle områder, fordi de ikke har fordelen ved omvendt genopretningsafgift;SiC MOSFET bruges også gradvist i bilindustrien, energilagring, ladebunke, solcelle og andre områder;Inden for bilapplikationer bliver trenden med modularisering mere og mere fremtrædende, SiC's overlegne ydeevne skal stole på avancerede emballageprocesser for at opnå, teknisk med relativt moden skalforsegling som mainstream, fremtiden eller til udvikling af plastforsegling , dens tilpassede udviklingskarakteristika er mere velegnede til SiC-moduler.
Siliciumcarbid prisfald hastighed eller ud over fantasi
Anvendelsen af siliciumcarbidenheder er hovedsageligt begrænset af de høje omkostninger, prisen på SiC MOSFET under samme niveau er 4 gange højere end for Si-baseret IGBT, dette skyldes, at processen med siliciumcarbid er kompleks, hvor væksten af enkeltkrystal og epitaksial er ikke kun hårdt for miljøet, men også væksthastigheden er langsom, og enkeltkrystalbehandlingen til substratet skal gennemgå skære- og poleringsprocessen.Baseret på dets egne materialeegenskaber og umoden forarbejdningsteknologi er udbyttet af indenlandsk substrat mindre end 50%, og forskellige faktorer fører til høje substrat- og epitaksiale priser.
Omkostningssammensætningen af siliciumcarbidenheder og siliciumbaserede enheder er dog diametralt modsat, substrat- og epitaksiale omkostninger for frontkanalen tegner sig for henholdsvis 47% og 23% af hele enheden, i alt omkring 70%, enhedsdesign, fremstilling og forseglingsforbindelser af bagkanalen tegner sig kun for 30%, produktionsomkostningerne for siliciumbaserede enheder er hovedsageligt koncentreret i wafer-fremstillingen af bagkanalen omkring 50%, og substratomkostningerne udgør kun 7%.Fænomenet med værdien af siliciumcarbidindustriens kæde på hovedet betyder, at producenter af opstrøms substratepitaksi har kerneretten til at tale, hvilket er nøglen til layoutet af indenlandske og udenlandske virksomheder.
Fra et dynamisk synspunkt på markedet er reduktion af omkostningerne ved siliciumcarbid, ud over at forbedre siliciumcarbid-langkrystal- og udskæringsprocessen, at udvide waferstørrelsen, hvilket også er den modne vej for halvlederudvikling i fortiden, Wolfspeed-data viser, at siliciumcarbidsubstratet opgraderes fra 6 tommer til 8 tommer, kvalificeret spånproduktion kan øges med 80%-90% og hjælpe med at forbedre udbyttet.Kan reducere de samlede enhedsomkostninger med 50 %.
2023 er kendt som "8-tommer SiC første år", i år accelererer indenlandske og udenlandske siliciumcarbid-producenter layoutet af 8-tommer siliciumcarbid, såsom Wolfspeeds skøre investering på 14,55 milliarder amerikanske dollars til udvidelse af siliciumcarbidproduktion, en vigtig del af dette er opførelsen af 8-tommer SiC substrat fremstillingsanlæg, For at sikre den fremtidige forsyning af 200 mm SiC bart metal til en række virksomheder;Domestic Tianyue Advanced og Tianke Heda har også underskrevet langsigtede aftaler med Infineon om at levere 8-tommer siliciumcarbidsubstrater i fremtiden.
Fra og med i år vil siliciumcarbid accelerere fra 6 tommer til 8 tommer, Wolfspeed forventer, at i 2024 vil enhedschipprisen på 8 tommer substrat sammenlignet med enhedschipprisen på 6 tommer substrat i 2022 være reduceret med mere end 60 % , og omkostningsfaldet vil yderligere åbne applikationsmarkedet, påpegede 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-tommers substrat er 4000-5000 yuan/stykke, sammenlignet med begyndelsen af året er faldet meget, er forventes at falde til under 4000 yuan næste år, er det værd at bemærke, at nogle producenter for at få det første marked, har reduceret salgsprisen til omkostningslinjen nedenfor, åbnet modellen af priskrigen, hovedsageligt koncentreret i siliciumcarbidsubstratet Udbuddet har været relativt tilstrækkeligt på lavspændingsområdet, indenlandske og udenlandske producenter udvider aggressivt produktionskapaciteten eller lader siliciumcarbidsubstratet overudbyde fase tidligere end forventet.
Indlægstid: 19-jan-2024