Utangulizi wa silicon carbudi
Silicon CARBIDE (SiC) ni nyenzo ya semiconductor ya kiwanja inayoundwa na kaboni na silicon, ambayo ni mojawapo ya nyenzo bora za kutengenezea joto la juu, masafa ya juu, nguvu ya juu na vifaa vya juu vya voltage. Ikilinganishwa na nyenzo za kitamaduni za silicon (Si), pengo la bendi ya kaboni ya silicon ni mara 3 ya silicon. Conductivity ya mafuta ni mara 4-5 ya silicon; Voltage ya kuvunjika ni mara 8-10 ya silicon; Kiwango cha kueneza kwa umeme ni mara 2-3 ya silicon, ambayo inakidhi mahitaji ya sekta ya kisasa kwa nguvu ya juu, voltage ya juu na mzunguko wa juu. Inatumika hasa kwa ajili ya uzalishaji wa vipengele vya elektroniki vya kasi, high-frequency, high-nguvu na mwanga. Sehemu za utumaji maombi kwenye mkondo wa chini ni pamoja na gridi mahiri, magari mapya ya nishati, nishati ya upepo ya photovoltaic, mawasiliano ya 5G, n.k. Diodi za silicon carbide na MOSFET zimetumika kibiashara.
Upinzani wa joto la juu. Upana wa pengo la bendi ya carbudi ya silicon ni mara 2-3 ya silicon, elektroni si rahisi kubadilika kwa joto la juu, na inaweza kuhimili joto la juu la uendeshaji, na conductivity ya mafuta ya silicon carbudi ni mara 4-5 ya silicon, kurahisisha utaftaji wa joto wa kifaa na kikomo cha halijoto ya kufanya kazi kuwa juu. Upinzani wa joto la juu unaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa msongamano wa nguvu huku ukipunguza mahitaji kwenye mfumo wa kupoeza, na kufanya terminal kuwa nyepesi na ndogo.
Kuhimili shinikizo la juu. Nguvu ya uwanja wa umeme iliyoharibika ya silicon carbudi ni mara 10 ya silicon, ambayo inaweza kuhimili voltages ya juu na inafaa zaidi kwa vifaa vya juu-voltage.
Upinzani wa juu wa mzunguko. Silicon CARBIDE ina kiwango cha kupeperushwa kwa elektroni mara mbili ya ile ya silicon, na kusababisha kutokuwepo kwa mkia wa sasa wakati wa mchakato wa kuzima, ambayo inaweza kuboresha kwa ufanisi mzunguko wa kubadili kifaa na kutambua miniaturization ya kifaa.
Upotezaji mdogo wa nishati. Ikilinganishwa na nyenzo za silicon, carbudi ya silicon ina upinzani mdogo sana na hasara ya chini. Wakati huo huo, upana wa juu wa bendi-pengo la carbudi ya silicon hupunguza sana uvujaji wa sasa na kupoteza nguvu. Kwa kuongeza, kifaa cha carbudi ya silicon haina uzushi wa sasa wa kufuatilia wakati wa mchakato wa kuzima, na hasara ya kubadili ni ya chini.
Mlolongo wa tasnia ya silicon carbide
Inajumuisha hasa substrate, epitaxy, muundo wa kifaa, utengenezaji, muhuri na kadhalika. Kabidi ya silicon kutoka nyenzo hadi kifaa cha nguvu cha semiconductor itapata ukuaji wa fuwele moja, kukatwa kwa ingot, ukuaji wa epitaxial, muundo wa kaki, utengenezaji, ufungashaji na michakato mingine. Baada ya awali ya poda ya carbudi ya silicon, ingot ya carbide ya silicon inafanywa kwanza, na kisha substrate ya carbudi ya silicon inapatikana kwa kukata, kusaga na polishing, na karatasi ya epitaxial hupatikana kwa ukuaji wa epitaxial. Kaki ya epitaxial imetengenezwa na carbudi ya silicon kwa njia ya lithography, etching, implantation ya ion, passivation ya chuma na michakato mingine, kaki hukatwa kwenye kufa, kifaa kinafungwa, na kifaa kinaunganishwa kwenye shell maalum na kukusanywa kwenye moduli.
Mlolongo wa 1 wa sekta ya juu: substrate - ukuaji wa kioo ni kiungo cha mchakato wa msingi
Silicon CARBIDE substrate akaunti kwa karibu 47% ya gharama ya vifaa silicon CARBIDE, juu ya viwanda vikwazo vya kiufundi, thamani kubwa, ni msingi wa maendeleo ya baadaye kwa kiasi kikubwa viwanda ya SiC.
Kutoka kwa mtazamo wa tofauti za mali ya electrochemical, nyenzo za substrate ya silicon carbide inaweza kugawanywa katika substrates conductive (eneo la upinzani 15 ~ 30mΩ·cm) na substrates nusu-maboksi (upinzani wa juu kuliko 105Ω · cm). Aina hizi mbili za substrates hutumiwa kutengeneza vifaa tofauti kama vile vifaa vya nguvu na vifaa vya masafa ya redio mtawalia baada ya ukuaji wa epitaxial. Miongoni mwao, substrate ya carbudi ya silicon ya nusu-maboksi hutumiwa hasa katika utengenezaji wa vifaa vya gallium nitride RF, vifaa vya photoelectric na kadhalika. Kwa kukuza safu ya gan epitaxial kwenye sehemu ndogo ya SIC iliyowekewa maboksi nusu, sahani ya sic epitaxial inatayarishwa, ambayo inaweza kutayarishwa zaidi katika vifaa vya HEMT gan iso-nitride RF. Substrate ya kaboni ya silicon ya conductive hutumiwa hasa katika utengenezaji wa vifaa vya nguvu. Tofauti na mchakato wa kitamaduni wa utengenezaji wa kifaa cha nguvu cha silicon, kifaa cha nguvu cha silicon carbide hakiwezi kutengenezwa moja kwa moja kwenye substrate ya silicon carbudi, safu ya silicon carbide epitaxial inahitaji kukuzwa kwenye substrate ya conductive ili kupata karatasi ya epitaxial ya silicon carbide, na epitaxial. safu hutengenezwa kwenye diode ya Schottky, MOSFET, IGBT na vifaa vingine vya nguvu.
Poda ya kaboni ya silicon iliundwa kutoka kwa unga wa kaboni ya juu na unga wa silicon ya usafi wa juu, na ukubwa tofauti wa ingot ya silicon carbudi ilikuzwa chini ya uwanja maalum wa joto, na kisha substrate ya silicon ya carbudi ilitolewa kupitia michakato mingi ya usindikaji. Mchakato wa msingi ni pamoja na:
Usanisi wa malighafi: Poda ya silicon ya usafi wa juu + tona huchanganywa kulingana na fomula, na mmenyuko hufanywa katika chumba cha mmenyuko chini ya hali ya joto ya juu zaidi ya 2000 ° C ili kuunganisha chembe za silicon carbudi na aina maalum ya fuwele na chembe. ukubwa. Kisha kwa njia ya kusagwa, uchunguzi, kusafisha na taratibu nyingine, ili kukidhi mahitaji ya juu ya usafi silicon CARBIDE unga malighafi.
Ukuaji wa kioo ni mchakato wa msingi wa utengenezaji wa substrate ya silicon, ambayo huamua mali ya umeme ya substrate ya silicon carbudi. Kwa sasa, mbinu kuu za ukuaji wa kioo ni uhamisho wa mvuke wa kimwili (PVT), uwekaji wa mvuke wa kemikali ya joto la juu (HT-CVD) na epitaxy ya awamu ya kioevu (LPE). Miongoni mwao, mbinu ya PVT ndiyo njia kuu ya ukuaji wa kibiashara wa sehemu ndogo ya SiC kwa sasa, yenye ukomavu wa juu zaidi wa kiufundi na inayotumika sana katika uhandisi.
Maandalizi ya substrate ya SiC ni ngumu, na kusababisha bei yake ya juu
Udhibiti wa halijoto ya uwanja ni mgumu: Ukuaji wa fimbo ya kioo huhitaji 1500 ℃ pekee, wakati fimbo ya kioo ya SiC inahitaji kukuzwa kwa joto la juu zaidi ya 2000 ℃, na kuna zaidi ya isoma za SiC 250, lakini muundo mkuu wa kioo wa 4H-SiC uzalishaji wa vifaa vya nguvu, ikiwa sio udhibiti sahihi, utapata miundo mingine ya kioo. Kwa kuongeza, gradient ya joto katika crucible huamua kiwango cha uhamisho wa usablimishaji wa SiC na mpangilio na hali ya ukuaji wa atomi za gesi kwenye interface ya kioo, ambayo huathiri kiwango cha ukuaji wa kioo na ubora wa kioo, kwa hiyo ni muhimu kuunda uwanja wa joto wa utaratibu. teknolojia ya udhibiti. Ikilinganishwa na nyenzo za Si, tofauti katika uzalishaji wa SiC pia iko katika michakato ya halijoto ya juu kama vile uwekaji wa ioni za halijoto ya juu, uoksidishaji wa halijoto ya juu, kuwezesha halijoto ya juu, na mchakato wa barakoa ngumu unaohitajika na michakato hii ya joto la juu.
Ukuaji wa polepole wa fuwele: kasi ya ukuaji wa fimbo ya Si crystal inaweza kufikia 30 ~ 150mm/h, na utengenezaji wa fimbo ya silicon ya 1-3m huchukua siku 1 tu; SiC kioo fimbo na PVT kama mfano, kiwango cha ukuaji ni kuhusu 0.2-0.4mm/h, siku 7 kukua chini ya 3-6cm, kiwango cha ukuaji ni chini ya 1% ya nyenzo silicon, uwezo wa uzalishaji ni kubwa mno. mdogo.
Vigezo vya juu vya bidhaa na mavuno ya chini: vigezo vya msingi vya substrate ya SiC ni pamoja na wiani wa microtubule, wiani wa kutenganisha, resistivity, warpage, ukali wa uso, nk. Ni mfumo mgumu wa uhandisi kupanga atomi katika chumba kilichofungwa cha joto la juu na ukuaji kamili wa kioo; wakati wa kudhibiti viashiria vya parameta.
Nyenzo hiyo ina ugumu wa juu, brittleness ya juu, muda mrefu wa kukata na kuvaa juu: Ugumu wa SiC Mohs wa 9.25 ni wa pili baada ya almasi, ambayo husababisha ongezeko kubwa la ugumu wa kukata, kusaga na polishing, na inachukua takriban masaa 120. kata vipande 35-40 vya ingot nene 3cm. Kwa kuongeza, kutokana na brittleness ya juu ya SiC, kuvaa usindikaji wa kaki itakuwa zaidi, na uwiano wa pato ni karibu 60%.
Mwenendo wa maendeleo: Kuongezeka kwa ukubwa + kupungua kwa bei
Soko la kimataifa la SiC laini ya uzalishaji wa inchi 6 inapevuka, na kampuni zinazoongoza zimeingia kwenye soko la inchi 8. Miradi ya maendeleo ya ndani ni inchi 6. Kwa sasa, ingawa makampuni mengi ya ndani bado yanategemea mistari ya uzalishaji wa 4-inch, lakini sekta hiyo inapanua hatua kwa hatua hadi inchi 6, na ukomavu wa teknolojia ya vifaa vya 6-inch, teknolojia ya ndani ya SiC substrate pia inaboresha uchumi wa hatua kwa hatua. ukubwa wa mistari ya uzalishaji wa ukubwa mkubwa utaonyeshwa, na pengo la sasa la muda wa uzalishaji wa wingi wa inchi 6 limepungua hadi miaka 7. Saizi kubwa ya kaki inaweza kuleta ongezeko la idadi ya chipsi moja, kuboresha kiwango cha mavuno, na kupunguza uwiano wa chips makali, na gharama ya utafiti na maendeleo na hasara ya mavuno itadumishwa kwa takriban 7%, na hivyo kuboresha kaki. matumizi.
Bado kuna shida nyingi katika muundo wa kifaa
Uuzaji wa diode ya SiC unaboreshwa polepole, kwa sasa, wazalishaji kadhaa wa ndani wameunda bidhaa za SiC SBD, bidhaa za SiC SBD za voltage ya kati na ya juu zina utulivu mzuri, kwenye gari la OBC, matumizi ya SiC SBD+SI IGBT kufikia utulivu. msongamano wa sasa. Kwa sasa, hakuna vikwazo katika muundo wa hati miliki wa bidhaa za SiC SBD nchini China, na pengo na nchi za kigeni ni ndogo.
SiC MOS bado ina matatizo mengi, bado kuna pengo kati ya SiC MOS na wazalishaji wa nje ya nchi, na jukwaa la utengenezaji linalohusika bado linajengwa. Kwa sasa, ST, Infineon, Rohm na 600-1700V SiC MOS nyingine zimepata uzalishaji mkubwa na kusainiwa na kusafirishwa na viwanda vingi vya utengenezaji, wakati muundo wa sasa wa SiC MOS umekamilika kimsingi, watengenezaji kadhaa wa muundo wanafanya kazi na vitambaa. hatua ya mtiririko wa kaki, na baadaye uthibitishaji wa mteja bado unahitaji muda, kwa hivyo bado kuna muda mrefu kutoka kwa uuzaji wa kiwango kikubwa.
Kwa sasa, muundo wa mpango ni chaguo kuu, na aina ya mfereji hutumiwa sana katika uwanja wa shinikizo la juu katika siku zijazo. Planar muundo SiC MOS wazalishaji ni wengi, muundo planar si rahisi kuzalisha matatizo ya kuvunjika mitaa ikilinganishwa na Groove, na kuathiri utulivu wa kazi, katika soko chini ya 1200V ina mbalimbali ya thamani ya maombi, na muundo planar ni kiasi. rahisi katika mwisho wa viwanda, ili kukidhi manufacturability na udhibiti wa gharama vipengele viwili. Kifaa cha groove kina faida za inductance ya chini sana ya vimelea, kasi ya kubadili haraka, hasara ya chini na utendaji wa juu kiasi.
2-- Habari za kaki za SiC
Uzalishaji wa soko la silicon carbide na ukuaji wa mauzo, makini na usawa wa miundo kati ya usambazaji na mahitaji
Pamoja na ukuaji wa haraka wa mahitaji ya soko ya umeme wa masafa ya juu na nguvu ya juu, kizuizi cha kikomo cha kikomo cha vifaa vya semiconductor vya msingi wa silicon kimekuwa maarufu polepole, na vifaa vya semiconductor vya kizazi cha tatu vinavyowakilishwa na silicon carbide (SiC) vimekua polepole. kuwa wa viwanda. Kwa mtazamo wa utendaji wa nyenzo, silicon CARBIDE ina mara 3 ya upana wa pengo la bendi ya nyenzo za silicon, mara 10 ya nguvu ya shamba la kuvunjika muhimu, mara 3 ya conductivity ya mafuta, hivyo vifaa vya nguvu vya silicon vinafaa kwa mzunguko wa juu, shinikizo la juu, joto la juu na matumizi mengine, kusaidia kuboresha ufanisi na msongamano wa nguvu za mifumo ya umeme ya nguvu.
Kwa sasa, diode za SiC na MOSFET za SiC zimehamia soko kwa hatua kwa hatua, na kuna bidhaa za kukomaa zaidi, kati ya ambayo diode za SiC hutumiwa sana badala ya diode za silicon katika baadhi ya nyanja kwa sababu hawana faida ya malipo ya kurejesha reverse; SiC MOSFET pia hutumiwa hatua kwa hatua katika magari, hifadhi ya nishati, rundo la malipo, photovoltaic na nyanja nyingine; Katika uwanja wa utumizi wa magari, mwelekeo wa urekebishaji unazidi kudhihirika zaidi na zaidi, utendaji bora wa SiC unahitaji kutegemea michakato ya hali ya juu ya ufungaji kufikia, kitaalam na kuziba kwa ganda iliyokomaa kama njia kuu, siku zijazo au maendeleo ya kuziba kwa plastiki. , sifa zake za maendeleo zilizobinafsishwa zinafaa zaidi kwa moduli za SiC.
Kasi ya kushuka kwa bei ya silicon carbide au zaidi ya mawazo
Utumiaji wa vifaa vya silicon carbide ni mdogo sana na gharama kubwa, bei ya SiC MOSFET chini ya kiwango sawa ni mara 4 zaidi kuliko ile ya Si-based IGBT, hii ni kwa sababu mchakato wa carbudi ya silicon ni ngumu, ambayo ukuaji wa kioo kimoja na epitaxial sio tu kali kwa mazingira, lakini pia kiwango cha ukuaji ni polepole, na usindikaji wa kioo moja kwenye substrate lazima upitie mchakato wa kukata na polishing. Kulingana na sifa zake za nyenzo na teknolojia ya usindikaji machanga, mavuno ya substrate ya ndani ni chini ya 50%, na mambo mbalimbali husababisha substrate ya juu na bei ya epitaxial.
Walakini, muundo wa gharama ya vifaa vya silicon carbide na vifaa vya msingi vya silicon ni kinyume kabisa, gharama ya substrate na epitaxial ya chaneli ya mbele inachukua 47% na 23% ya kifaa kizima, mtawaliwa, jumla ya 70%, muundo wa kifaa, utengenezaji. na viungo vya kuziba vya akaunti ya kituo cha nyuma kwa 30% tu, gharama ya uzalishaji wa vifaa vinavyotokana na silicon hujilimbikizia zaidi katika utengenezaji wa kaki wa chaneli ya nyuma kuhusu. 50%, na gharama ya substrate akaunti kwa 7% tu. Hali ya thamani ya mnyororo wa tasnia ya silicon carbide ina maana kwamba watengenezaji wa substrate epitaxy wana haki ya msingi ya kuzungumza, ambayo ndiyo ufunguo wa mpangilio wa biashara za ndani na nje.
Kutoka kwa mtazamo wa nguvu kwenye soko, kupunguza gharama ya carbudi ya silicon, pamoja na kuboresha kioo cha muda mrefu cha silicon carbudi na mchakato wa kukata, ni kupanua ukubwa wa kaki, ambayo pia ni njia ya kukomaa ya maendeleo ya semiconductor katika siku za nyuma. Takwimu za Wolfspeed zinaonyesha kuwa uboreshaji wa sehemu ndogo ya silicon carbide kutoka inchi 6 hadi inchi 8, uzalishaji wa chip uliohitimu unaweza kuongezeka kwa 80% -90%, na kusaidia. kuboresha mavuno. Inaweza kupunguza gharama ya kitengo kwa 50%.
2023 inajulikana kama "mwaka wa kwanza wa SiC 8", mwaka huu, watengenezaji wa carbudi ya silicon ya ndani na nje wanaharakisha mpangilio wa carbudi ya silicon ya inchi 8, kama vile uwekezaji wa Wolfspeed wa dola bilioni 14.55 za Kimarekani kwa upanuzi wa uzalishaji wa silicon carbide, sehemu muhimu ambayo ni ujenzi wa kiwanda cha kutengeneza substrate cha inchi 8 cha SiC, Ili kuhakikisha ugavi wa baadaye wa chuma tupu cha 200 mm SiC. kwa idadi ya makampuni; Tianyue Advanced na Tianke Heda pia wametia saini makubaliano ya muda mrefu na Infineon ya kusambaza substrates za silicon za inchi 8 katika siku zijazo.
Kuanzia mwaka huu, silicon carbide itaongeza kasi kutoka inchi 6 hadi inchi 8, Wolfspeed inatarajia kuwa ifikapo 2024, gharama ya chip ya kitengo cha substrate ya inchi 8 ikilinganishwa na gharama ya kitengo cha inchi 6 mwaka 2022 itapunguzwa kwa zaidi ya 60%. , na kushuka kwa gharama kutafungua zaidi soko la maombi, data ya utafiti ya Ji Bond Consulting ilionyesha. Sehemu ya soko ya sasa ya bidhaa za inchi 8 ni chini ya 2%, na sehemu ya soko inatarajiwa kukua hadi karibu 15% ifikapo 2026.
Kwa kweli, kiwango cha kushuka kwa bei ya substrate silicon CARBIDE inaweza kuzidi mawazo ya watu wengi, sasa soko la kutoa substrate 6-inch ni 4000-5000 Yuan/kipande, ikilinganishwa na mwanzo wa mwaka imeshuka sana, ni. inatarajiwa kushuka chini ya 4000 Yuan mwaka ujao, ni vyema ieleweke kwamba baadhi ya wazalishaji ili kupata soko la kwanza, imepunguza bei ya mauzo kwa mstari wa gharama hapa chini, Ilifunguliwa. mfano wa vita bei, hasa kujilimbikizia katika ugavi silicon CARBIDE substrate imekuwa ya kutosha katika uwanja chini-voltage, wazalishaji wa ndani na nje ya nchi kwa uadui kupanua uwezo wa uzalishaji, au basi silicon substrate substrate oversupply hatua mapema kuliko kufikiri.
Muda wa kutuma: Jan-19-2024