Kremniy karbidiga kirish
Silikon karbid (SiC) - yuqori haroratli, yuqori chastotali, yuqori quvvatli va yuqori kuchlanishli qurilmalarni ishlab chiqarish uchun ideal materiallardan biri bo'lgan uglerod va kremniydan tashkil topgan aralash yarimo'tkazgichli material.An'anaviy kremniy materiali (Si) bilan taqqoslaganda, silikon karbidning tarmoqli bo'shlig'i kremniynikidan 3 baravar ko'p.Issiqlik o'tkazuvchanligi kremniydan 4-5 barobar ko'p;Buzilish kuchlanishi kremniydan 8-10 marta;Elektron to'yinganlik drift tezligi kremniydan 2-3 baravar yuqori, bu zamonaviy sanoatning yuqori quvvat, yuqori kuchlanish va yuqori chastotaga bo'lgan ehtiyojlarini qondiradi.U asosan yuqori tezlikda, yuqori chastotali, yuqori quvvatli va yorug'lik chiqaradigan elektron qismlarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.Quyi oqimdagi dastur sohalariga aqlli tarmoq, yangi energiya vositalari, fotovoltaik shamol energiyasi, 5G aloqasi va boshqalar kiradi. Silikon karbid diodlari va MOSFETlar tijorat maqsadlarida qo'llanilgan.
Yuqori haroratga qarshilik.Silikon karbidning tarmoqli bo'shlig'i kengligi kremniynikidan 2-3 baravar ko'p, elektronlar yuqori haroratlarda o'tish oson emas va yuqori ish haroratiga bardosh bera oladi va silikon karbidning issiqlik o'tkazuvchanligi kremniydan 4-5 baravar yuqori, qurilma issiqlik tarqalishini osonlashtiradi va chegara ish haroratini oshiradi.Yuqori harorat qarshiligi sovutish tizimiga bo'lgan talablarni kamaytirish bilan birga quvvat zichligini sezilarli darajada oshirishi mumkin, terminalni engilroq va kichikroq qiladi.
Yuqori bosimga bardosh bering.Silikon karbidning parchalanish elektr maydonining kuchi kremniynikidan 10 baravar yuqori, u yuqori kuchlanishlarga bardosh bera oladi va yuqori voltli qurilmalar uchun ko'proq mos keladi.
Yuqori chastotali qarshilik.Silikon karbid kremniydan ikki baravar ko'p to'yingan elektron drift tezligiga ega, buning natijasida o'chirish jarayonida oqim qoldiqlari yo'q bo'lib, bu qurilmaning kommutatsiya chastotasini samarali yaxshilashi va qurilmaning miniatyurasini amalga oshirishi mumkin.
Kam energiya yo'qotilishi.Silikon moddasi bilan solishtirganda, kremniy karbid juda past qarshilikka ega va kam yo'qotishlarga ega.Shu bilan birga, silikon karbidning yuqori tarmoqli kengligi oqish oqimini va quvvat yo'qotilishini sezilarli darajada kamaytiradi.Bunga qo'shimcha ravishda, silikon karbid qurilmasi o'chirish jarayonida oqimning orqadagi hodisasiga ega emas va kommutatsiya yo'qotilishi past.
Silikon karbid sanoat zanjiri
U asosan substrat, epitaksiya, qurilma dizayni, ishlab chiqarish, muhrlash va boshqalarni o'z ichiga oladi.Silikon karbid materialdan yarimo'tkazgichli quvvat qurilmasiga bitta kristall o'sishi, ingot tilim, epitaksial o'sish, gofret dizayni, ishlab chiqarish, qadoqlash va boshqa jarayonlarni boshdan kechiradi.Kremniy karbid kukuni sintez qilingandan so'ng, avval kremniy karbid ingoti tayyorlanadi, so'ngra kremniy karbid substrati kesish, silliqlash va parlatish yo'li bilan olinadi va epitaksial qatlam epitaksial o'sish yo'li bilan olinadi.Epitaksial plastina kremniy karbiddan litografiya, o'q qilish, ion implantatsiyasi, metallni passivatsiya qilish va boshqa jarayonlar orqali tayyorlanadi, gofret qolipga kesiladi, qurilma qadoqlanadi va qurilma maxsus qobiqga birlashtirilib, modulga yig'iladi.
Sanoat zanjirining yuqori oqimi 1: substrat - kristall o'sishi asosiy jarayon bo'g'inidir
Silikon karbidli substrat kremniy karbid qurilmalari narxining qariyb 47% ni tashkil qiladi, eng yuqori ishlab chiqarish texnik to'siqlari, eng katta qiymat SiC ning kelajakdagi keng ko'lamli sanoatlashtirishning yadrosidir.
Elektrokimyoviy xususiyatlarning farqlari nuqtai nazaridan, silikon karbid substrat materiallarini o'tkazuvchan substratlarga (qarshilik hududi 15 ~ 30 mŌ · sm) va yarim izolyatsiyalangan substratlarga (qarshilik 105 Ō · sm dan yuqori) bo'linishi mumkin.Ushbu ikki turdagi substratlar epitaksial o'sishdan keyin mos ravishda quvvat qurilmalari va radio chastotali qurilmalar kabi diskret qurilmalarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.Ular orasida yarim izolyatsiyalangan silikon karbid substrati asosan galyum nitridi RF qurilmalari, fotoelektrik qurilmalar va boshqalarni ishlab chiqarishda qo'llaniladi.Yarim izolyatsiyalangan SIC substratida gan epitaksial qatlamni o'stirish orqali sic epitaksial plastinka tayyorlanadi, uni keyinchalik HEMT gan izo-nitridli RF qurilmalariga tayyorlash mumkin.Supero'tkazuvchilar silikon karbid substrati asosan quvvat qurilmalarini ishlab chiqarishda qo'llaniladi.An'anaviy kremniy quvvat moslamasini ishlab chiqarish jarayonidan farqli o'laroq, kremniy karbidli quvvat moslamasini to'g'ridan-to'g'ri silikon karbid substratida qilish mumkin emas, kremniy karbid epitaksial qatlamini silikon karbid epitaksial qatlamini olish uchun Supero'tkazuvchilar substratda o'stirilishi kerak va epitaksial. qatlam Schottky diodida, MOSFET, IGBT va boshqa quvvat qurilmalarida ishlab chiqariladi.
Silikon karbid kukuni yuqori toza uglerod kukuni va yuqori toza kremniy kukunidan sintez qilindi va turli o'lchamdagi kremniy karbid ingotlari maxsus harorat maydonida o'stirildi, so'ngra ko'plab qayta ishlash jarayonlari orqali silikon karbid substrati ishlab chiqarildi.Asosiy jarayon quyidagilarni o'z ichiga oladi:
Xom ashyo sintezi: Yuqori toza kremniy kukuni + toner formulaga muvofiq aralashtiriladi va reaksiya o'ziga xos kristall turi va zarrachalari bo'lgan kremniy karbid zarralarini sintez qilish uchun 2000 ° C dan yuqori harorat sharoitida reaktsiya kamerasida amalga oshiriladi. hajmi.Keyin maydalash, saralash, tozalash va boshqa jarayonlar orqali yuqori toza silikon karbid kukuni xom ashyosi talablariga javob beradi.
Kristal o'sishi kremniy karbid substratining elektr xususiyatlarini aniqlaydigan silikon karbid substratini ishlab chiqarishning asosiy jarayonidir.Hozirgi vaqtda kristall o'sishining asosiy usullari jismoniy bug 'o'tkazish (PVT), yuqori haroratli kimyoviy bug'larni cho'ktirish (HT-CVD) va suyuq faza epitaksisi (LPE).Ular orasida PVT usuli hozirgi vaqtda SiC substratining tijorat o'sishi uchun asosiy usul bo'lib, eng yuqori texnik etuklikka ega va muhandislik sohasida eng keng qo'llaniladi.
SiC substratini tayyorlash qiyin, bu uning yuqori narxiga olib keladi
Harorat maydonini nazorat qilish qiyin: Si kristalli novda o'sishi faqat 1500 ℃ kerak, SiC kristalli novda esa 2000 ℃ dan yuqori haroratda o'stirilishi kerak va 250 dan ortiq SiC izomerlari mavjud, ammo asosiy 4H-SiC monokristal tuzilishi quvvat qurilmalarini ishlab chiqarish, agar aniq nazorat bo'lmasa, boshqa kristall tuzilmalarni oladi.Bundan tashqari, tigeldagi harorat gradienti SiC sublimatsiya o'tkazish tezligini va kristall interfeysida gazsimon atomlarning joylashishi va o'sish rejimini belgilaydi, bu kristall o'sish tezligi va kristal sifatiga ta'sir qiladi, shuning uchun tizimli harorat maydonini shakllantirish kerak. nazorat qilish texnologiyasi.Si materiallari bilan taqqoslaganda, SiC ishlab chiqarishdagi farq, shuningdek, yuqori haroratli ion implantatsiyasi, yuqori haroratli oksidlanish, yuqori haroratli faollashuv va bu yuqori harorat jarayonlari tomonidan talab qilinadigan qattiq niqob jarayoni kabi yuqori haroratli jarayonlarda ham mavjud.
Sekin kristall o'sishi: Si kristalli novda o'sish tezligi 30 ~ 150 mm / soat ga yetishi mumkin va 1-3 m silikon kristalli novda ishlab chiqarish faqat 1 kun davom etadi;Misol sifatida PVT usuli bilan SiC kristalli novda, o'sish tezligi taxminan 0,2-0,4 mm / soat, 3-6 sm dan kam o'sish uchun 7 kun, o'sish tezligi kremniy materialining 1% dan kam, ishlab chiqarish quvvati juda yuqori. cheklangan.
Yuqori mahsulot parametrlari va past rentabellik: SiC substratining asosiy parametrlari mikrotubulalar zichligi, dislokatsiya zichligi, qarshilik, burilish, sirt pürüzlülüğü va boshqalarni o'z ichiga oladi. Bu yopiq yuqori haroratli kamerada atomlarni tartibga solish va to'liq kristall o'sishi uchun murakkab tizim muhandisligi, parametr indekslarini nazorat qilishda.
Material yuqori qattiqlik, yuqori mo'rtlik, uzoq kesish vaqti va yuqori eskirishga ega: SiC Mohs qattiqligi 9,25 bo'lib, olmosdan keyin ikkinchi o'rinda turadi, bu kesish, silliqlash va parlatish qiyinligini sezilarli darajada oshiradi va taxminan 120 soat davom etadi. 3 sm qalinlikdagi ingotdan 35-40 dona kesib oling.Bundan tashqari, SiC ning yuqori mo'rtligi tufayli gofretni qayta ishlashning aşınması ko'proq bo'ladi va chiqish nisbati atigi 60% ni tashkil qiladi.
Rivojlanish tendentsiyasi: o'lchamning oshishi + narxning pasayishi
Global SiC bozori 6 dyuymli hajmli ishlab chiqarish liniyasi etuklashmoqda va etakchi kompaniyalar 8 dyuymli bozorga kirishdi.Mahalliy rivojlanish loyihalari asosan 6 dyuym.Hozirgi vaqtda mahalliy kompaniyalarning aksariyati hali ham 4 dyuymli ishlab chiqarish liniyalariga asoslangan bo'lsa-da, sanoat asta-sekin 6 dyuymgacha kengayib bormoqda, 6 dyuymli qo'llab-quvvatlovchi uskunalar texnologiyasining etukligi bilan mahalliy SiC substrat texnologiyasi ham iqtisodiyotni asta-sekin yaxshilaydi. yirik ishlab chiqarish liniyalari ko'lami aks ettiriladi va joriy mahalliy 6 dyuymli ommaviy ishlab chiqarish vaqt oralig'i 7 yilga qisqardi.Kattaroq gofret o'lchami bitta chiplar sonining ko'payishiga, rentabellik darajasini yaxshilashga va chekka chiplarning ulushini kamaytirishga olib kelishi mumkin va tadqiqot va ishlab chiqish xarajatlari va hosilni yo'qotish taxminan 7% ni tashkil qiladi va shu bilan gofretni yaxshilaydi. foydalanish.
Qurilmani loyihalashda hali ko'p qiyinchiliklar mavjud
SiC diyotini tijoratlashtirish asta-sekin takomillashtirilmoqda, hozirgi vaqtda bir qator mahalliy ishlab chiqaruvchilar SiC SBD mahsulotlarini ishlab chiqdilar, o'rta va yuqori kuchlanishli SiC SBD mahsulotlari yaxshi barqarorlikka ega, OBC avtomobilida, barqarorlikka erishish uchun SiC SBD + SI IGBT dan foydalanish. oqim zichligi.Hozirgi vaqtda Xitoyda SiC SBD mahsulotlarining patent dizaynida hech qanday to'siqlar yo'q va xorijiy mamlakatlar bilan bo'shliq kichik.
SiC MOS hali ham ko'p qiyinchiliklarga duch kelmoqda, SiC MOS va chet ellik ishlab chiqaruvchilar o'rtasida hali ham bo'shliq mavjud va tegishli ishlab chiqarish platformasi hali ham qurilmoqda.Hozirgi vaqtda ST, Infineon, Rohm va boshqa 600-1700V SiC MOS ommaviy ishlab chiqarishga erishdi va ko'plab ishlab chiqarish tarmoqlari bilan imzolandi va jo'natildi, hozirgi mahalliy SiC MOS dizayni asosan yakunlandi, bir qator dizayn ishlab chiqaruvchilari fabrikalar bilan ishlamoqda. gofret oqimi bosqichi va keyinchalik mijozlarni tekshirish hali ham biroz vaqt talab etadi, shuning uchun keng ko'lamli tijoratlashtirishga hali ko'p vaqt bor.
Hozirgi vaqtda planar struktura asosiy tanlovdir va xandaq turi kelajakda yuqori bosimli sohada keng qo'llaniladi.Planar strukturasi SiC MOS ishlab chiqaruvchilari ko'p, planar tuzilmani yiv bilan solishtirganda mahalliy buzilish muammolarini ishlab chiqarish oson emas, ishning barqarorligiga ta'sir qiladi, bozorda 1200V dan past bo'lgan bozorda keng qo'llaniladigan qiymatga ega va planar tuzilish nisbatan ishlab chiqarish oxirida oddiy, ishlab chiqarish qobiliyati va xarajatlarni nazorat qilishning ikki jihatini qondirish uchun.Yivli qurilma juda past parazitik indüktans, tez almashtirish tezligi, past yo'qotish va nisbatan yuqori ishlash afzalliklariga ega.
2--SiC gofret yangiliklari
Silikon karbid bozorini ishlab chiqarish va sotishning o'sishi, talab va taklif o'rtasidagi tarkibiy nomutanosiblikka e'tibor bering.
Yuqori chastotali va yuqori quvvatli elektronikaga bozor talabining tez o'sishi bilan kremniyga asoslangan yarimo'tkazgich qurilmalarining jismoniy chegarasi asta-sekin sezilarli bo'lib qoldi va silikon karbid (SiC) bilan ifodalanadigan uchinchi avlod yarimo'tkazgich materiallari asta-sekin o'zgarib bordi. sanoatlashgan.Materialning ishlash nuqtai nazaridan, silikon karbid kremniy materialining tarmoqli kengligidan 3 baravar ko'p, elektr maydonining tanqidiy kuchi 10 barobar, issiqlik o'tkazuvchanligi 3 barobar, shuning uchun silikon karbid quvvat qurilmalari yuqori chastotali, yuqori bosimli, yuqori harorat va boshqa ilovalar energiya elektron tizimlarining samaradorligi va quvvat zichligini oshirishga yordam beradi.
Hozirgi vaqtda SiC diodlari va SiC MOSFETlar asta-sekin bozorga o'tdi va ko'proq etuk mahsulotlar mavjud bo'lib, ular orasida ba'zi sohalarda silikon asosidagi diodlar o'rniga SiC diodlari keng qo'llaniladi, chunki ular teskari tiklash zaryadining afzalliklariga ega emas;SiC MOSFET asta-sekin avtomobilsozlik, energiya saqlash, zaryadlovchi qoziq, fotovoltaik va boshqa sohalarda ham qo'llaniladi;Avtomobillarni qo'llash sohasida modulizatsiya tendentsiyasi tobora ko'proq namoyon bo'lmoqda, SiC ning yuqori ishlashi texnik jihatdan nisbatan etuk qobiq muhrlanishiga erishish uchun ilg'or qadoqlash jarayonlariga tayanishi kerak. , uning moslashtirilgan rivojlanish xususiyatlari SiC modullari uchun ko'proq mos keladi.
Silikon karbid narxining pasayishi tezligi yoki tasavvur qilishdan tashqari
Silikon karbid qurilmalarini qo'llash asosan yuqori xarajat bilan cheklangan, SiC MOSFETning bir xil darajadagi narxi Si asosidagi IGBTga qaraganda 4 baravar yuqori, chunki silikon karbidning o'sishi murakkab jarayondir. yagona kristall va epitaksial nafaqat atrof-muhitga qattiq ta'sir qiladi, balki o'sish tezligi ham sekin va substratga yagona kristalli ishlov berish kesish va polishing jarayonidan o'tishi kerak.O'zining moddiy xususiyatlariga va etuk bo'lmagan qayta ishlash texnologiyasiga asoslanib, mahalliy substratning hosildorligi 50% dan kam bo'lib, turli omillar yuqori substrat va epitaksial narxlarga olib keladi.
Shu bilan birga, kremniy karbid qurilmalari va kremniyga asoslangan qurilmalarning narxi bir-biriga qarama-qarshidir, oldingi kanalning substrat va epitaksial xarajatlari mos ravishda butun qurilmaning 47% va 23% ni tashkil qiladi, jami 70% ni tashkil qiladi, qurilma dizayni, ishlab chiqarish. va orqa kanalning muhrlanish aloqalari faqat 30% ni tashkil qiladi, kremniyga asoslangan qurilmalarning ishlab chiqarish qiymati asosan orqa kanalning gofret ishlab chiqarishida taxminan 50% ni tashkil qiladi va substrat narxi faqat 7% ni tashkil qiladi.Silikon karbid sanoat zanjiri qiymatining fenomeni yuqoridagi substrat epitaksi ishlab chiqaruvchilari mahalliy va xorijiy korxonalarni joylashtirishning kaliti bo'lgan asosiy gapirish huquqiga ega ekanligini anglatadi.
Bozordagi dinamik nuqtai nazardan, kremniy karbidining narxini pasaytirish, silikon karbidning uzun kristalli va kesish jarayonini yaxshilashdan tashqari, gofret hajmini kengaytirishdir, bu ham o'tmishda yarimo'tkazgich rivojlanishining etuk yo'li, Wolfspeed ma'lumotlari shuni ko'rsatadiki, silikon karbid substratining 6 dyuymdan 8 dyuymgacha yangilanishi, malakali chip ishlab chiqarish 80% -90% ga oshishi va hosilni yaxshilashga yordam beradi.Birlashtirilgan birlik narxini 50% ga kamaytirishi mumkin.
2023 yil "8 dyuymli SiC birinchi yili" deb nomlanadi, bu yil mahalliy va xorijiy kremniy karbid ishlab chiqaruvchilari 8 dyuymli kremniy karbidni ishlab chiqarishni tezlashtirmoqdalar, masalan Wolfspeed kremniy karbid ishlab chiqarishni kengaytirish uchun 14,55 milliard AQSh dollari miqdoridagi aqldan ozgan sarmoya, muhim qismi 8 dyuymli SiC substrat ishlab chiqarish zavodi qurilishi, Bir qator kompaniyalarga kelajakda 200 mm SiC yalang'och metall yetkazib berishni ta'minlash;Mahalliy Tianyue Advanced va Tianke Heda, shuningdek, Infineon bilan kelajakda 8 dyuymli silikon karbid substratlarini yetkazib berish bo'yicha uzoq muddatli shartnomalar imzoladi.
Joriy yildan boshlab kremniy karbid 6 dyuymdan 8 dyuymgacha tezlashadi, Wolfspeed 2024 yilga kelib, 8 dyuymli substrat chipining narxi 2022 yildagi 6 dyuymli substratning birlik chip narxiga nisbatan 60% dan ko'proqqa qisqarishini kutmoqda. , va xarajatlarning pasayishi dastur bozorini yanada ochadi, Ji Bond Consulting tadqiqot ma'lumotlariga ishora qildi.8 dyuymli mahsulotlarning joriy bozor ulushi 2% dan kam, bozor ulushi esa 2026 yilga kelib taxminan 15% gacha o'sishi kutilmoqda.
Aslida, kremniy karbid substratining narxining pasayish tezligi ko'pchilikning tasavvuridan oshib ketishi mumkin, 6 dyuymli substratning joriy bozor taklifi 4000-5000 yuan / dona, yil boshiga nisbatan ancha tushib ketdi, kelgusi yilda 4000 yuandan pastga tushishi kutilmoqda, shuni ta'kidlash kerakki, ba'zi ishlab chiqaruvchilar birinchi bozorga ega bo'lish uchun sotish narxini quyida joylashgan xarajat chizig'iga kamaytirdilar, asosan silikon karbid substratida to'plangan narx urushi modelini ochdilar. past kuchlanishli sohada ta'minot nisbatan etarli bo'ldi, mahalliy va xorijiy ishlab chiqaruvchilar ishlab chiqarish quvvatini agressiv ravishda kengaytirmoqdalar yoki silikon karbid substratining ortiqcha ta'minotini tasavvur qilinganidan oldinroq bosqichga o'tkazmoqdalar.
Xabar vaqti: 2024 yil 19-yanvar