Cyflwyniad i silicon carbide
Mae silicon carbid (SiC) yn ddeunydd lled-ddargludyddion cyfansawdd sy'n cynnwys carbon a silicon, sy'n un o'r deunyddiau delfrydol ar gyfer gwneud dyfeisiau tymheredd uchel, amledd uchel, pŵer uchel a foltedd uchel. O'i gymharu â'r deunydd silicon traddodiadol (Si), mae bwlch band silicon carbid 3 gwaith yn fwy na silicon. Mae'r dargludedd thermol 4-5 gwaith yn fwy na silicon; Mae'r foltedd chwalu 8-10 gwaith yn fwy na silicon; Mae'r gyfradd drifft dirlawnder electronig 2-3 gwaith yn fwy na silicon, sy'n diwallu anghenion diwydiant modern ar gyfer pŵer uchel, foltedd uchel ac amledd uchel. Fe'i defnyddir yn bennaf ar gyfer cynhyrchu cydrannau electronig cyflymder uchel, amledd uchel, pŵer uchel ac allyrru golau. Mae'r meysydd cymhwyso i lawr yr afon yn cynnwys grid clyfar, cerbydau ynni newydd, pŵer gwynt ffotofoltäig, cyfathrebu 5G, ac ati. Mae deuodau silicon carbid a MOSFETs wedi'u cymhwyso'n fasnachol.
Gwrthiant tymheredd uchel. Mae lled bwlch band silicon carbide 2-3 gwaith lled silicon, nid yw'r electronau'n hawdd eu trawsnewid mewn tymereddau uchel, a gallant wrthsefyll tymereddau gweithredu uwch, ac mae dargludedd thermol silicon carbide 4-5 gwaith lled silicon, gan wneud gwasgariad gwres y ddyfais yn haws a'r tymheredd gweithredu terfyn yn uwch. Gall y gwrthiant tymheredd uchel gynyddu dwysedd pŵer yn sylweddol wrth leihau'r gofynion ar y system oeri, gan wneud y derfynell yn ysgafnach ac yn llai.
Gwrthsefyll pwysedd uchel. Mae cryfder maes trydan chwalfa silicon carbid 10 gwaith cryfder silicon, a all wrthsefyll folteddau uwch ac mae'n fwy addas ar gyfer dyfeisiau foltedd uchel.
Gwrthiant amledd uchel. Mae gan silicon carbide gyfradd drifftio electronau dirlawn ddwywaith cyfradd silicon, gan arwain at absenoldeb cynffon cerrynt yn ystod y broses gau i lawr, a all wella amledd newid y ddyfais yn effeithiol a gwireddu miniatureiddio'r ddyfais.
Colled ynni isel. O'i gymharu â deunydd silicon, mae gan silicon carbide wrthwynebiad ymlaen isel iawn a cholled ymlaen isel. Ar yr un pryd, mae lled bwlch band uchel silicon carbide yn lleihau'r cerrynt gollyngiad a'r golled pŵer yn fawr. Yn ogystal, nid oes gan y ddyfais silicon carbide ffenomen llusgo cerrynt yn ystod y broses gau i lawr, ac mae'r golled newid yn isel.
Cadwyn diwydiant silicon carbide
Mae'n cynnwys yn bennaf swbstrad, epitacsi, dylunio dyfeisiau, gweithgynhyrchu, selio ac yn y blaen. Bydd silicon carbid o'r deunydd i'r ddyfais pŵer lled-ddargludyddion yn profi twf crisial sengl, sleisio ingot, twf epitacsiaidd, dylunio wafer, gweithgynhyrchu, pecynnu a phrosesau eraill. Ar ôl synthesis powdr silicon carbid, gwneir yr ingot silicon carbid yn gyntaf, ac yna ceir y swbstrad silicon carbid trwy sleisio, malu a sgleinio, a cheir y ddalen epitacsiaidd trwy dwf epitacsiaidd. Gwneir y wafer epitacsiaidd o silicon carbid trwy lithograffeg, ysgythru, mewnblannu ïonau, goddefgarwch metel a phrosesau eraill, caiff y wafer ei thorri'n farw, caiff y ddyfais ei phecynnu, a chaiff y ddyfais ei chyfuno i mewn i gragen arbennig a'i chydosod yn fodiwl.
I fyny'r afon o gadwyn y diwydiant 1: swbstrad - twf crisial yw'r ddolen broses graidd
Mae swbstrad silicon carbid yn cyfrif am tua 47% o gost dyfeisiau silicon carbid, sef y rhwystrau technegol gweithgynhyrchu uchaf, y gwerth mwyaf, ac mae'n graidd i ddiwydiannu SiC ar raddfa fawr yn y dyfodol.
O safbwynt gwahaniaethau priodweddau electrocemegol, gellir rhannu deunyddiau swbstrad silicon carbid yn swbstradau dargludol (rhanbarth gwrthiant 15~30mΩ·cm) a swbstradau lled-inswleiddio (gwrthiant yn uwch na 105Ω·cm). Defnyddir y ddau fath hyn o swbstradau i gynhyrchu dyfeisiau arwahanol fel dyfeisiau pŵer a dyfeisiau amledd radio yn y drefn honno ar ôl twf epitacsial. Yn eu plith, defnyddir swbstrad silicon carbid lled-inswleiddio yn bennaf wrth gynhyrchu dyfeisiau RF galiwm nitrid, dyfeisiau ffotodrydanol ac yn y blaen. Trwy dyfu haen epitacsial gan ar swbstrad SIC lled-inswleiddio, paratoir y plât epitacsial sic, y gellir ei baratoi ymhellach yn ddyfeisiau RF iso-nitrid gan HEMT. Defnyddir swbstrad silicon carbid dargludol yn bennaf wrth gynhyrchu dyfeisiau pŵer. Yn wahanol i'r broses weithgynhyrchu dyfeisiau pŵer silicon traddodiadol, ni ellir gwneud y ddyfais pŵer silicon carbid yn uniongyrchol ar y swbstrad silicon carbid, mae angen tyfu'r haen epitacsial silicon carbid ar y swbstrad dargludol i gael y ddalen epitacsial silicon carbid, ac mae'r haen epitacsial yn cael ei chynhyrchu ar y deuod Schottky, MOSFET, IGBT a dyfeisiau pŵer eraill.
Cafodd powdr silicon carbid ei syntheseiddio o bowdr carbon purdeb uchel a phowdr silicon purdeb uchel, a thyfwyd gwahanol feintiau o ingot silicon carbid o dan faes tymheredd arbennig, ac yna cynhyrchwyd swbstrad silicon carbid trwy brosesau prosesu lluosog. Mae'r broses graidd yn cynnwys:
Synthesis deunydd crai: Cymysgir y powdr silicon purdeb uchel + toner yn ôl y fformiwla, a chynhelir yr adwaith yn y siambr adwaith o dan yr amod tymheredd uchel uwchlaw 2000°C i syntheseiddio'r gronynnau silicon carbid gyda math crisial a maint gronynnau penodol. Yna trwy'r malu, sgrinio, glanhau a phrosesau eraill, i fodloni gofynion deunyddiau crai powdr silicon carbid purdeb uchel.
Twf crisialau yw craidd y broses o weithgynhyrchu swbstrad silicon carbid, sy'n pennu priodweddau trydanol swbstrad silicon carbid. Ar hyn o bryd, y prif ddulliau ar gyfer twf crisialau yw trosglwyddo anwedd corfforol (PVT), dyddodiad anwedd cemegol tymheredd uchel (HT-CVD) ac epitacsi cyfnod hylif (LPE). Yn eu plith, y dull PVT yw'r prif ddull ar gyfer twf masnachol swbstrad SiC ar hyn o bryd, gyda'r aeddfedrwydd technegol uchaf a'r un a ddefnyddir fwyaf mewn peirianneg.
Mae paratoi swbstrad SiC yn anodd, gan arwain at ei bris uchel
Mae rheoli maes tymheredd yn anodd: dim ond 1500℃ sydd ei angen ar gyfer twf gwialen grisial Si, tra bod angen tyfu gwialen grisial SiC ar dymheredd uchel uwchlaw 2000℃, ac mae mwy na 250 o isomerau SiC, ond os nad yw'r prif strwythur grisial sengl 4H-SiC ar gyfer cynhyrchu dyfeisiau pŵer, bydd yn cael strwythurau crisial eraill. Yn ogystal, mae'r graddiant tymheredd yn y croeslin yn pennu cyfradd trosglwyddo dyrnu SiC a threfniant a modd twf atomau nwyol ar y rhyngwyneb crisial, sy'n effeithio ar gyfradd twf y grisial ac ansawdd y grisial, felly mae angen ffurfio technoleg rheoli maes tymheredd systematig. O'i gymharu â deunyddiau Si, mae'r gwahaniaeth mewn cynhyrchu SiC hefyd mewn prosesau tymheredd uchel fel mewnblannu ïonau tymheredd uchel, ocsideiddio tymheredd uchel, actifadu tymheredd uchel, a'r broses masg caled sy'n ofynnol gan y prosesau tymheredd uchel hyn.
Twf crisial araf: gall cyfradd twf gwialen grisial Si gyrraedd 30 ~ 150mm/awr, a dim ond tua 1 diwrnod y mae cynhyrchu gwialen grisial silicon 1-3m yn ei gymryd; er enghraifft, gyda dull PVT, mae'r gyfradd twf tua 0.2-0.4mm/awr, 7 diwrnod i dyfu llai na 3-6cm, mae'r gyfradd twf yn llai nag 1% o'r deunydd silicon, ac mae'r capasiti cynhyrchu yn gyfyngedig iawn.
Paramedrau cynnyrch uchel a chynnyrch isel: mae paramedrau craidd swbstrad SiC yn cynnwys dwysedd microtubule, dwysedd dadleoliad, gwrthedd, ystumio, garwedd arwyneb, ac ati. Mae'n beirianneg system gymhleth i drefnu atomau mewn siambr tymheredd uchel caeedig a chwblhau twf crisialau, wrth reoli mynegeion paramedr.
Mae gan y deunydd galedwch uchel, breuder uchel, amser torri hir a gwisgo uchel: mae caledwch SiC Mohs o 9.25 yn ail yn unig i ddiamwnt, sy'n arwain at gynnydd sylweddol yn anhawster torri, malu a sgleinio, ac mae'n cymryd tua 120 awr i dorri 35-40 darn o ingot 3cm o drwch. Yn ogystal, oherwydd breuder uchel SiC, bydd gwisgo prosesu wafer yn fwy, a dim ond tua 60% yw'r gymhareb allbwn.
Tuedd datblygu: Cynnydd maint + gostyngiad pris
Mae llinell gynhyrchu cyfaint 6 modfedd y farchnad SiC fyd-eang yn aeddfedu, ac mae cwmnïau blaenllaw wedi ymuno â'r farchnad 8 modfedd. Mae prosiectau datblygu domestig yn bennaf yn 6 modfedd. Ar hyn o bryd, er bod y rhan fwyaf o gwmnïau domestig yn dal i fod yn seiliedig ar linellau cynhyrchu 4 modfedd, mae'r diwydiant yn ehangu'n raddol i 6 modfedd, gydag aeddfedrwydd technoleg offer ategol 6 modfedd, mae technoleg swbstrad SiC domestig hefyd yn gwella'n raddol, a bydd arbedion maint llinellau cynhyrchu maint mawr yn cael eu hadlewyrchu, ac mae'r bwlch amser cynhyrchu màs 6 modfedd domestig presennol wedi culhau i 7 mlynedd. Gall maint wafer mwy arwain at gynnydd yn nifer y sglodion sengl, gwella'r gyfradd cynnyrch, a lleihau cyfran y sglodion ymyl, a bydd cost ymchwil a datblygu a cholled cynnyrch yn cael eu cynnal ar tua 7%, a thrwy hynny wella'r defnydd o wafer.
Mae yna lawer o anawsterau o hyd o ran dylunio dyfeisiau
Mae masnacheiddio deuod SiC yn gwella'n raddol, ac ar hyn o bryd mae nifer o weithgynhyrchwyr domestig wedi dylunio cynhyrchion SiC SBD, mae gan gynhyrchion SiC SBD foltedd canolig ac uchel sefydlogrwydd da. Yn y cerbydau, mae'r defnydd o SiC SBD + SI IGBT yn sicrhau dwysedd cerrynt sefydlog. Ar hyn o bryd, nid oes unrhyw rwystrau yn nyluniad patent cynhyrchion SiC SBD yn Tsieina, ac mae'r bwlch â gwledydd tramor yn fach.
Mae gan SiC MOS lawer o anawsterau o hyd, mae bwlch o hyd rhwng SiC MOS a gweithgynhyrchwyr tramor, ac mae'r platfform gweithgynhyrchu perthnasol yn dal i gael ei adeiladu. Ar hyn o bryd, mae ST, Infineon, Rohm a SiC MOS 600-1700V eraill wedi cyflawni cynhyrchu màs ac wedi llofnodi a chludo gyda llawer o ddiwydiannau gweithgynhyrchu, tra bod y dyluniad SiC MOS domestig cyfredol wedi'i gwblhau i raddau helaeth, mae nifer o weithgynhyrchwyr dylunio yn gweithio gyda ffatrïoedd yng nghyfnod llif y wafer, ac mae angen peth amser o hyd i wirio cwsmeriaid yn ddiweddarach, felly mae amser hir o hyd cyn masnacheiddio ar raddfa fawr.
Ar hyn o bryd, y strwythur planar yw'r dewis prif ffrwd, a defnyddir y math ffos yn helaeth ym maes pwysedd uchel yn y dyfodol. Mae llawer o weithgynhyrchwyr SiC MOS strwythur planar, nid yw'n hawdd i'r strwythur planar gynhyrchu problemau chwalfa lleol o'i gymharu â'r rhigol, gan effeithio ar sefydlogrwydd y gwaith, yn y farchnad islaw 1200V mae ganddo ystod eang o werth cymhwysiad, ac mae'r strwythur planar yn gymharol syml ar y pen gweithgynhyrchu, i fodloni dau agwedd gweithgynhyrchu a rheoli costau. Mae gan y ddyfais rhigol fanteision anwythiad parasitig isel iawn, cyflymder newid cyflym, colled isel a pherfformiad cymharol uchel.
2--newyddion wafer SiC
Twf cynhyrchu a gwerthu marchnad silicon carbide, rhowch sylw i'r anghydbwysedd strwythurol rhwng cyflenwad a galw
Gyda thwf cyflym y galw yn y farchnad am electroneg pŵer amledd uchel a phŵer uchel, mae'r tagfeydd terfyn ffisegol mewn dyfeisiau lled-ddargludyddion sy'n seiliedig ar silicon wedi dod yn amlwg yn raddol, ac mae'r deunyddiau lled-ddargludyddion trydydd cenhedlaeth a gynrychiolir gan silicon carbide (SiC) wedi dod yn ddiwydiannol yn raddol. O safbwynt perfformiad y deunydd, mae gan silicon carbide 3 gwaith lled y bwlch band o ddeunydd silicon, 10 gwaith cryfder y maes trydan chwalfa critigol, 3 gwaith y dargludedd thermol, felly mae dyfeisiau pŵer silicon carbide yn addas ar gyfer amledd uchel, pwysedd uchel, tymheredd uchel a chymwysiadau eraill, gan helpu i wella effeithlonrwydd a dwysedd pŵer systemau electronig pŵer.
Ar hyn o bryd, mae deuodau SiC a MOSFETau SiC wedi symud i'r farchnad yn raddol, ac mae cynhyrchion mwy aeddfed, ac mae deuodau SiC yn cael eu defnyddio'n helaeth yn lle deuodau sy'n seiliedig ar silicon mewn rhai meysydd oherwydd nad oes ganddynt fantais adferiad gwefr gwrthdro; defnyddir MOSFET SiC yn raddol hefyd mewn meysydd modurol, storio ynni, pentwr gwefru, ffotofoltäig a meysydd eraill; Ym maes cymwysiadau modurol, mae'r duedd o fodiwleiddio yn dod yn fwyfwy amlwg, ac mae angen i berfformiad uwch SiC ddibynnu ar brosesau pecynnu uwch i gyflawni, yn dechnegol gyda selio cregyn cymharol aeddfed fel y brif ffrwd, y dyfodol neu i ddatblygiad selio plastig, mae ei nodweddion datblygu wedi'u haddasu yn fwy addas ar gyfer modiwlau SiC.
Cyflymder dirywiad pris silicon carbide neu y tu hwnt i ddychymyg
Mae cymhwysiad dyfeisiau silicon carbid wedi'i gyfyngu'n bennaf gan y gost uchel, mae pris SiC MOSFET o dan yr un lefel 4 gwaith yn uwch na phris IGBT seiliedig ar Si, mae hyn oherwydd bod proses silicon carbid yn gymhleth, lle mae twf crisial sengl ac epitacsial nid yn unig yn llym ar yr amgylchedd, ond hefyd mae'r gyfradd twf yn araf, a rhaid i'r prosesu crisial sengl i'r swbstrad fynd trwy'r broses dorri a sgleinio. Yn seiliedig ar ei nodweddion deunydd ei hun a thechnoleg brosesu anaeddfed, mae cynnyrch swbstrad domestig yn llai na 50%, ac mae amrywiol ffactorau'n arwain at brisiau swbstrad ac epitacsial uchel.
Fodd bynnag, mae cyfansoddiad cost dyfeisiau silicon carbide a dyfeisiau sy'n seiliedig ar silicon yn groes i'w gilydd, mae costau swbstrad ac epitacsial y sianel flaen yn cyfrif am 47% a 23% o'r ddyfais gyfan yn y drefn honno, sef cyfanswm o tua 70%, dim ond 30% yw dylunio, gweithgynhyrchu a selio dyfeisiau'r sianel gefn, mae cost cynhyrchu dyfeisiau sy'n seiliedig ar silicon wedi'i ganoli'n bennaf yng ngweithgynhyrchu wafer y sianel gefn tua 50%, a dim ond 7% yw cost y swbstrad. Mae ffenomen gwerth cadwyn diwydiant silicon carbide wyneb i waered yn golygu bod gan weithgynhyrchwyr epitacsi swbstrad i fyny'r afon yr hawl graidd i siarad, sef yr allwedd i gynllun mentrau domestig a thramor.
O safbwynt deinamig y farchnad, mae lleihau cost carbid silicon, yn ogystal â gwella'r broses sleisio a grisialau hir silicon carbid, yn golygu ehangu maint y wafer, sydd hefyd yn llwybr aeddfed ar gyfer datblygu lled-ddargludyddion yn y gorffennol. Mae data Wolfspeed yn dangos y gall uwchraddio swbstrad carbid silicon o 6 modfedd i 8 modfedd gynyddu cynhyrchiad sglodion cymwys 80% -90%, a helpu i wella'r cynnyrch. Gall leihau cost uned gyfunol 50%.
Mae 2023 yn cael ei adnabod fel "blwyddyn gyntaf SiC 8 modfedd", eleni, mae gweithgynhyrchwyr silicon carbid domestig a thramor yn cyflymu cynllun silicon carbid 8 modfedd, fel buddsoddiad gwallgof Wolfspeed o 14.55 biliwn o ddoleri'r UD ar gyfer ehangu cynhyrchu silicon carbid, ac mae rhan bwysig ohono yn adeiladu ffatri gweithgynhyrchu swbstrad SiC 8 modfedd. Er mwyn sicrhau cyflenwad metel noeth SiC 200 mm i nifer o gwmnïau yn y dyfodol; mae Domestic Tianyue Advanced a Tianke Heda hefyd wedi llofnodi cytundebau hirdymor gydag Infineon i gyflenwi swbstradau silicon carbid 8 modfedd yn y dyfodol.
O eleni ymlaen, bydd carbid silicon yn cyflymu o 6 modfedd i 8 modfedd, ac mae Wolfspeed yn disgwyl erbyn 2024 y bydd cost sglodion uned swbstrad 8 modfedd o'i gymharu â chost sglodion uned swbstrad 6 modfedd yn 2022 wedi'i lleihau mwy na 60%, a bydd y gostyngiad mewn costau yn agor y farchnad gymwysiadau ymhellach, yn ôl data ymchwil Ji Bond Consulting. Mae cyfran y farchnad bresennol ar gyfer cynhyrchion 8 modfedd yn llai na 2%, a disgwylir i'r gyfran o'r farchnad dyfu i tua 15% erbyn 2026.
Mewn gwirionedd, gall cyfradd y gostyngiad ym mhris swbstrad silicon carbid fod yn fwy na dychymyg llawer o bobl. Mae'r cynnig marchnad cyfredol o swbstrad 6 modfedd yn 4000-5000 yuan/darn. O'i gymharu â dechrau'r flwyddyn, disgwylir iddo ostwng o dan 4000 yuan y flwyddyn nesaf. Mae'n werth nodi bod rhai gweithgynhyrchwyr, er mwyn cyrraedd y farchnad gyntaf, wedi gostwng y pris gwerthu i'r llinell gost isod. Wrth agor y model, mae'r rhyfel prisiau wedi dechrau, ac mae'r cyflenwad swbstrad silicon carbid wedi bod yn gymharol ddigonol yn y maes foltedd isel. Mae gweithgynhyrchwyr domestig a thramor yn ehangu eu capasiti cynhyrchu'n ymosodol, neu'n gadael i'r cyflenwad gormodol o swbstrad silicon carbid fynd yn gynharach nag a ddychmygwyd.
Amser postio: Ion-19-2024