Panimula sa silicon carbide
Ang Silicon carbide (SiC) ay isang compound semiconductor material na binubuo ng carbon at silicon, na isa sa mga ideal na materyales para sa paggawa ng mataas na temperatura, high frequency, high power at high voltage device. Kung ikukumpara sa tradisyonal na materyal na silikon (Si), ang band gap ng silicon carbide ay 3 beses kaysa sa silikon. Ang thermal conductivity ay 4-5 beses kaysa sa silikon; Ang boltahe ng pagkasira ay 8-10 beses kaysa sa silikon; Ang electronic saturation drift rate ay 2-3 beses kaysa sa silikon, na nakakatugon sa mga pangangailangan ng modernong industriya para sa mataas na kapangyarihan, mataas na boltahe at mataas na dalas. Pangunahing ginagamit ito para sa produksyon ng mga high-speed, high-frequency, high-power at light-emitting na mga elektronikong bahagi. Kabilang sa mga field ng downstream na application ang smart grid, mga bagong sasakyang pang-enerhiya, photovoltaic wind power, 5G na komunikasyon, atbp. Ang mga Silicon carbide diode at MOSFET ay ginamit sa komersyo.
Mataas na paglaban sa temperatura. Ang lapad ng band gap ng silicon carbide ay 2-3 beses kaysa sa silikon, ang mga electron ay hindi madaling lumipat sa mataas na temperatura, at maaaring makatiis ng mas mataas na temperatura ng operating, at ang thermal conductivity ng silicon carbide ay 4-5 beses kaysa sa silikon, ginagawang mas madali ang pag-alis ng init ng device at mas mataas ang limitasyon sa temperatura ng pagpapatakbo. Ang mataas na temperatura na pagtutol ay maaaring makabuluhang tumaas ang densidad ng kapangyarihan habang binabawasan ang mga kinakailangan sa sistema ng paglamig, na ginagawang mas magaan at mas maliit ang terminal.
Makatiis ng mataas na presyon. Ang breakdown na lakas ng electric field ng silicon carbide ay 10 beses kaysa sa silicon, na makatiis ng mas mataas na boltahe at mas angkop para sa mga high-voltage na device.
Mataas na frequency resistance. Ang Silicon carbide ay may saturated electron drift rate na dalawang beses kaysa sa silicon, na nagreresulta sa kawalan ng kasalukuyang tailing sa panahon ng proseso ng shutdown, na maaaring epektibong mapabuti ang switching frequency ng device at mapagtanto ang miniaturization ng device.
Mababang pagkawala ng enerhiya. Kung ikukumpara sa materyal na silikon, ang silicon carbide ay may napakababang on-resistance at mababang on-loss. Kasabay nito, ang mataas na band-gap na lapad ng silicon carbide ay lubos na nakakabawas sa leakage current at sa pagkawala ng kuryente. Bilang karagdagan, ang aparato ng silicon carbide ay walang kasalukuyang trailing phenomenon sa panahon ng proseso ng shutdown, at mababa ang pagkawala ng switching.
Kadena ng industriya ng Silicon carbide
Pangunahing kasama nito ang substrate, epitaxy, disenyo ng device, pagmamanupaktura, sealing at iba pa. Ang Silicon carbide mula sa materyal hanggang sa semiconductor power device ay makakaranas ng solong paglaki ng kristal, pagpipiraso ng ingot, paglaki ng epitaxial, disenyo ng wafer, pagmamanupaktura, packaging at iba pang mga proseso. Matapos ang synthesis ng silicon carbide powder, ang silicon carbide ingot ay ginawa muna, at pagkatapos ay ang silicon carbide substrate ay nakuha sa pamamagitan ng pagpipiraso, paggiling at buli, at ang epitaxial sheet ay nakuha sa pamamagitan ng epitaxial growth. Ang epitaxial wafer ay gawa sa silicon carbide sa pamamagitan ng lithography, etching, ion implantation, metal passivation at iba pang mga proseso, ang wafer ay pinutol sa die, ang aparato ay nakabalot, at ang aparato ay pinagsama sa isang espesyal na shell at binuo sa isang module.
Upstream ng industriya chain 1: substrate - paglago ng kristal ay ang pangunahing link ng proseso
Silicon carbide substrate account para sa tungkol sa 47% ng halaga ng silicon carbide device, ang pinakamataas na manufacturing teknikal na hadlang, ang pinakamalaking halaga, ay ang core ng hinaharap malakihang industriyalisasyon ng SiC.
Mula sa pananaw ng mga pagkakaiba-iba ng electrochemical property, ang mga materyales ng substrate ng silicon carbide ay maaaring nahahati sa conductive substrates (rehiyon ng resistivity 15~30mΩ·cm) at mga semi-insulated substrate (resistivity na mas mataas sa 105Ω·cm). Ang dalawang uri ng substrate na ito ay ginagamit upang gumawa ng mga discrete na device gaya ng mga power device at radio frequency device ayon sa pagkakabanggit pagkatapos ng epitaxial growth. Kabilang sa mga ito, ang semi-insulated silicon carbide substrate ay pangunahing ginagamit sa paggawa ng gallium nitride RF device, photoelectric device at iba pa. Sa pamamagitan ng pagpapalaki ng gan epitaxial layer sa semi-insulated na SIC substrate, ang sic epitaxial plate ay inihanda, na maaaring ihanda pa sa HEMT gan iso-nitride RF device. Ang conductive silicon carbide substrate ay pangunahing ginagamit sa paggawa ng mga power device. Iba sa tradisyunal na proseso ng pagmamanupaktura ng aparato ng kapangyarihan ng silikon, ang aparato ng kapangyarihan ng silikon na karbid ay hindi maaaring direktang gawin sa substrate ng silikon karbida, ang layer na epitaxial ng silikon na karbida ay kailangang lumaki sa substrate na kondaktibo upang makuha ang epitaxial sheet ng silikon karbid, at ang epitaxial Ang layer ay ginawa sa Schottky diode, MOSFET, IGBT at iba pang power device.
Ang silicone carbide powder ay na-synthesize mula sa high purity carbon powder at high purity na silicon powder, at ang iba't ibang laki ng silicon carbide ingot ay lumaki sa ilalim ng espesyal na field ng temperatura, at pagkatapos ay ginawa ang silicon carbide substrate sa pamamagitan ng maraming proseso ng pagproseso. Kasama sa pangunahing proseso ang:
Raw material synthesis: Ang high-purity silicon powder + toner ay halo-halong ayon sa formula, at ang reaksyon ay isinasagawa sa reaction chamber sa ilalim ng mataas na temperatura na kondisyon sa itaas 2000°C upang ma-synthesize ang silicon carbide particle na may partikular na uri ng kristal at particle laki. Pagkatapos ay sa pamamagitan ng pagdurog, screening, paglilinis at iba pang mga proseso, upang matugunan ang mga kinakailangan ng mataas na kadalisayan ng silikon karbid pulbos hilaw na materyales.
Ang paglaki ng kristal ay ang pangunahing proseso ng paggawa ng substrate ng silicon carbide, na tumutukoy sa mga electrical properties ng silicon carbide substrate. Sa kasalukuyan, ang mga pangunahing pamamaraan para sa paglaki ng kristal ay ang physical vapor transfer (PVT), high temperature chemical vapor deposition (HT-CVD) at liquid phase epitaxy (LPE). Kabilang sa mga ito, ang paraan ng PVT ay ang pangunahing pamamaraan para sa komersyal na paglago ng SiC substrate sa kasalukuyan, na may pinakamataas na teknikal na kapanahunan at ang pinaka-malawak na ginagamit sa engineering.
Ang paghahanda ng SiC substrate ay mahirap, na humahantong sa mataas na presyo nito
Mahirap kontrolin ang field ng temperatura: Ang paglago ng Si crystal rod ay nangangailangan lamang ng 1500 ℃, habang ang SiC crystal rod ay kailangang lumaki sa mataas na temperatura sa itaas 2000 ℃, at mayroong higit sa 250 SiC isomer, ngunit ang pangunahing 4H-SiC na solong kristal na istraktura para sa ang produksyon ng mga power device, kung hindi tumpak na kontrol, ay makakakuha ng iba pang mga istrukturang kristal. Bilang karagdagan, tinutukoy ng gradient ng temperatura sa crucible ang rate ng paglipat ng sublimation ng SiC at ang mode ng pag-aayos at paglago ng mga gas na atom sa interface ng kristal, na nakakaapekto sa rate ng paglago ng kristal at kalidad ng kristal, kaya kinakailangan na bumuo ng isang sistematikong field ng temperatura. teknolohiya ng kontrol. Kung ikukumpara sa mga materyales ng Si, ang pagkakaiba sa produksyon ng SiC ay nasa mga proseso ng mataas na temperatura tulad ng pagtatanim ng mataas na temperatura ng ion, oksihenasyon ng mataas na temperatura, pag-activate ng mataas na temperatura, at ang proseso ng hard mask na kinakailangan ng mga prosesong ito ng mataas na temperatura.
Mabagal na paglaki ng kristal: ang rate ng paglago ng Si crystal rod ay maaaring umabot sa 30 ~ 150mm/h, at ang produksyon ng 1-3m silicon crystal rod ay tumatagal lamang ng mga 1 araw; SiC crystal rod na may paraan ng PVT bilang isang halimbawa, ang rate ng paglago ay tungkol sa 0.2-0.4mm/h, 7 araw upang lumaki nang mas mababa sa 3-6cm, ang rate ng paglago ay mas mababa sa 1% ng materyal na silikon, ang kapasidad ng produksyon ay labis. limitado.
Mataas na mga parameter ng produkto at mababang ani: ang mga pangunahing parameter ng SiC substrate ay kinabibilangan ng microtubule density, dislocation density, resistivity, warpage, surface roughness, atbp. Ito ay isang kumplikadong system engineering upang ayusin ang mga atom sa isang closed high-temperature chamber at kumpletong paglaki ng kristal, habang kinokontrol ang mga index ng parameter.
Ang materyal ay may mataas na tigas, mataas na brittleness, mahabang oras ng pagputol at mataas na pagkasira: Ang SiC Mohs na tigas na 9.25 ay pangalawa lamang sa brilyante, na humahantong sa isang makabuluhang pagtaas sa kahirapan sa pagputol, paggiling at pag-polish, at ito ay tumatagal ng humigit-kumulang 120 oras upang gupitin ang 35-40 piraso ng ingot na may kapal na 3cm. Sa karagdagan, dahil sa mataas na brittleness ng SiC, wafer processing wear ay magiging higit pa, at ang output ratio ay lamang tungkol sa 60%.
Trend ng pag-unlad: Pagtaas ng laki + pagbaba ng presyo
Ang pandaigdigang SiC market na 6-inch volume production line ay tumatanda na, at ang mga nangungunang kumpanya ay pumasok sa 8-inch market. Ang mga proyekto sa pagpapaunlad ng domestic ay higit sa lahat ay 6 na pulgada. Sa kasalukuyan, bagama't karamihan sa mga domestic company ay nakabatay pa rin sa 4-inch production lines, ngunit ang industriya ay unti-unting lumalawak sa 6-inch, na may maturity ng 6-inch supporting equipment technology, ang domestic SiC substrate technology ay unti-unti ding nagpapabuti sa ekonomiya ng Ang laki ng malalaking linya ng produksyon ay makikita, at ang kasalukuyang 6-pulgada na agwat sa oras ng mass production ay lumiit sa 7 taon. Ang mas malaking sukat ng wafer ay maaaring magdulot ng pagtaas sa bilang ng mga solong chips, pagbutihin ang rate ng ani, at bawasan ang proporsyon ng mga edge chips, at ang halaga ng pananaliksik at pag-unlad at pagkawala ng ani ay mapapanatili sa humigit-kumulang 7%, sa gayon ay mapabuti ang wafer paggamit.
Marami pa ring kahirapan sa disenyo ng device
Ang komersyalisasyon ng SiC diode ay unti-unting napabuti, sa kasalukuyan, ang isang bilang ng mga domestic na tagagawa ay nagdisenyo ng mga produktong SiC SBD, ang daluyan at mataas na boltahe ng mga produktong SiC SBD ay may mahusay na katatagan, sa sasakyan OBC, ang paggamit ng SiC SBD+SI IGBT upang makamit ang matatag kasalukuyang density. Sa kasalukuyan, walang mga hadlang sa disenyo ng patent ng mga produktong SiC SBD sa China, at maliit ang agwat sa mga dayuhang bansa.
Marami pa ring kahirapan ang SiC MOS, mayroon pa ring gap sa pagitan ng SiC MOS at mga tagagawa sa ibang bansa, at ang nauugnay na platform ng pagmamanupaktura ay nasa ilalim pa rin ng pagtatayo. Sa kasalukuyan, ang ST, Infineon, Rohm at iba pang 600-1700V SiC MOS ay nakamit ang mass production at nilagdaan at ipinadala sa maraming industriya ng pagmamanupaktura, habang ang kasalukuyang disenyo ng domestic SiC MOS ay karaniwang nakumpleto, ang isang bilang ng mga tagagawa ng disenyo ay nagtatrabaho sa mga fab sa ang yugto ng daloy ng ostiya, at sa paglaon ay nangangailangan pa ng ilang oras ang pag-verify ng customer, kaya may mahabang panahon pa mula sa malakihang komersyalisasyon.
Sa kasalukuyan, ang planar na istraktura ay ang pangunahing pagpipilian, at ang uri ng trench ay malawakang ginagamit sa larangan ng mataas na presyon sa hinaharap. Planar istraktura SiC MOS tagagawa ay marami, ang planar istraktura ay hindi madaling upang makabuo ng mga lokal na problema sa pagkasira kumpara sa uka, na nakakaapekto sa katatagan ng trabaho, sa merkado sa ibaba 1200V ay may isang malawak na hanay ng mga halaga ng aplikasyon, at ang planar istraktura ay medyo simple sa manufacturing dulo, upang matugunan ang manufacturability at gastos control dalawang aspeto. Ang groove device ay may mga pakinabang ng napakababang parasitic inductance, mabilis na bilis ng paglipat, mababang pagkawala at medyo mataas na pagganap.
2--SiC ostiya balita
Silicon carbide market produksyon at paglago ng mga benta, bigyang-pansin ang istruktura imbalance sa pagitan ng supply at demand
Sa mabilis na paglaki ng demand sa merkado para sa high-frequency at high-power power electronics, ang pisikal na limitasyon ng bottleneck ng mga aparatong semiconductor na nakabatay sa silicon ay unti-unting naging kitang-kita, at ang mga third-generation na materyales na semiconductor na kinakatawan ng silicon carbide (SiC) ay unti-unti. maging industriyalisado. Mula sa punto ng view ng pagganap ng materyal, ang silicon carbide ay may 3 beses ang lapad ng band gap ng materyal na silikon, 10 beses ang kritikal na pagkasira ng lakas ng electric field, 3 beses ang thermal conductivity, kaya ang mga aparatong kapangyarihan ng silicon carbide ay angkop para sa mataas na dalas, mataas na presyon, mataas na temperatura at iba pang mga aplikasyon, makakatulong upang mapabuti ang kahusayan at density ng kapangyarihan ng mga sistema ng elektronikong kapangyarihan.
Sa kasalukuyan, ang mga SiC diode at SiC MOSFET ay unti-unting lumipat sa merkado, at mayroong mas mature na mga produkto, kung saan ang mga SiC diode ay malawakang ginagamit sa halip na mga diode na nakabatay sa silikon sa ilang mga larangan dahil wala silang bentahe ng reverse recovery charge; Ang SiC MOSFET ay unti-unting ginagamit din sa automotive, energy storage, charging pile, photovoltaic at iba pang field; Sa larangan ng mga automotive application, ang trend ng modularization ay nagiging mas at mas kitang-kita, ang superior performance ng SiC ay kailangang umasa sa mga advanced na proseso ng packaging upang makamit, technically na may medyo mature na shell sealing bilang mainstream, sa hinaharap o sa plastic sealing development , ang mga customized na katangian ng development nito ay mas angkop para sa mga SiC modules.
Ang bilis ng pagbaba ng presyo ng Silicon carbide o lampas sa imahinasyon
Ang aplikasyon ng mga aparatong silicon carbide ay pangunahing limitado sa pamamagitan ng mataas na gastos, ang presyo ng SiC MOSFET sa ilalim ng parehong antas ay 4 na beses na mas mataas kaysa sa Si based IGBT, ito ay dahil ang proseso ng silicon carbide ay kumplikado, kung saan ang paglago ng Ang solong kristal at epitaxial ay hindi lamang malupit sa kapaligiran, kundi pati na rin ang rate ng paglago ay mabagal, at ang solong pagpoproseso ng kristal sa substrate ay dapat dumaan sa proseso ng pagputol at buli. Batay sa sarili nitong mga katangian ng materyal at teknolohiya sa pagpoproseso ng wala pa sa gulang, ang ani ng domestic substrate ay mas mababa sa 50%, at iba't ibang mga kadahilanan ang humahantong sa mataas na presyo ng substrate at epitaxial.
Gayunpaman, ang komposisyon ng gastos ng mga aparatong silicon carbide at mga aparatong nakabatay sa silikon ay magkasalungat, ang substrate at epitaxial na gastos ng front channel ay nagkakahalaga ng 47% at 23% ng buong aparato ayon sa pagkakabanggit, na may kabuuang 70%, ang disenyo ng aparato, pagmamanupaktura. at sealing link ng back channel account para sa 30% lamang, ang produksyon ng gastos ng silicon-based na mga aparato ay pangunahing puro sa wafer manufacturing ng back channel tungkol sa 50%, at ang halaga ng substrate ay nagkakahalaga lamang ng 7%. Ang kababalaghan ng halaga ng silicon carbide industry chain na baligtad ay nangangahulugan na ang mga tagagawa ng upstream substrate epitaxy ay may pangunahing karapatang magsalita, na siyang susi sa layout ng mga domestic at foreign enterprise.
Mula sa dynamic na punto ng view sa merkado, ang pagbabawas ng gastos ng silicon carbide, bilang karagdagan sa pagpapabuti ng silicon carbide mahabang kristal at proseso ng pagpipiraso, ay upang palawakin ang laki ng wafer, na kung saan ay din ang mature na landas ng pag-unlad ng semiconductor sa nakaraan, Ipinapakita ng data ng Wolfspeed na ang pag-upgrade ng silicon carbide substrate mula 6 na pulgada hanggang 8 pulgada, ang kuwalipikadong paggawa ng chip ay maaaring tumaas ng 80%-90%, at makatulong na mapabuti ang ani. Maaaring bawasan ang pinagsamang halaga ng yunit ng 50%.
Ang 2023 ay kilala bilang "8-inch SiC first year", sa taong ito, ang mga domestic at foreign silicon carbide manufacturer ay pinabilis ang layout ng 8-inch silicon carbide, tulad ng Wolfspeed crazy investment na 14.55 bilyong US dollars para sa pagpapalawak ng produksyon ng silicon carbide, isang mahalagang bahagi na kung saan ay ang pagtatayo ng 8-inch SiC substrate manufacturing plant, Upang matiyak ang hinaharap na supply ng 200 mm SiC bare metal sa isang bilang ng mga kumpanya; Ang Domestic Tianyue Advanced at Tianke Heda ay pumirma din ng mga pangmatagalang kasunduan sa Infineon upang magbigay ng 8-pulgadang silicon carbide substrates sa hinaharap.
Simula sa taong ito, ang silicon carbide ay bibilis mula 6 na pulgada hanggang 8 pulgada, inaasahan ng Wolfspeed na sa 2024, ang halaga ng unit chip na 8 pulgadang substrate kumpara sa halaga ng unit chip na 6 pulgadang substrate sa 2022 ay mababawasan ng higit sa 60% , at ang pagbaba ng gastos ay higit na magbubukas sa merkado ng aplikasyon, itinuro ng data ng pananaliksik ng Ji Bond Consulting. Ang kasalukuyang market share ng 8-inch na mga produkto ay mas mababa sa 2%, at ang market share ay inaasahang lalago sa humigit-kumulang 15% sa 2026.
Sa katunayan, ang rate ng pagbaba sa presyo ng silicon carbide substrate ay maaaring lumampas sa imahinasyon ng maraming tao, ang kasalukuyang market offer ng 6-inch substrate ay 4000-5000 yuan/piece, kumpara sa simula ng taon ay bumagsak ng marami, ay inaasahang bababa sa 4000 yuan sa susunod na taon, ito ay nagkakahalaga ng noting na ang ilang mga tagagawa upang makuha ang unang merkado, ay nabawasan ang presyo ng mga benta sa linya ng gastos sa ibaba, Binuksan ang modelo ng digmaan sa presyo, higit sa lahat puro sa silikon carbide substrate supply ay medyo sapat sa mababang boltahe field, domestic at dayuhang mga tagagawa ay agresibo pagpapalawak ng produksyon kapasidad, o hayaan ang silikon karbid substrate oversupply yugto mas maaga kaysa sa naisip.
Oras ng post: Ene-19-2024