Silizio karburoaren sarrera
Silizio karburoa (SiC) karbono eta silizioz osatutako konposatu erdieroale materiala da, tenperatura altuko, maiztasun altuko, potentzia altuko eta tentsio altuko gailuak egiteko material idealenetako bat. Silizio material tradizionalarekin (Si) alderatuta, silizio karburoaren banda-tartea silizioarena baino 3 aldiz handiagoa da. Eroankortasun termikoa silizioarena baino 4-5 aldiz handiagoa da; matxura-tentsioa silizioarena baino 8-10 aldiz handiagoa da; saturazio elektronikoaren deriba-tasa silizioarena baino 2-3 aldiz handiagoa da, eta horrek industria modernoaren potentzia altuko, tentsio altuko eta maiztasun altuko beharrak asetzen ditu. Batez ere abiadura handiko, maiztasun altuko, potentzia altuko eta argi-igorleko osagai elektronikoak ekoizteko erabiltzen da. Aplikazio-eremuen artean, sare adimendunak, energia berriko ibilgailuak, haize-energia fotovoltaikoa, 5G komunikazioa eta abar daude. Silizio karburo diodoak eta MOSFETak komertzialki aplikatu dira.
Tenperatura altuko erresistentzia. Silizio karburoaren banda-tartearen zabalera silizioarena baino 2-3 aldiz handiagoa da, elektroiak ez dira erraz aldatzen tenperatura altuetan eta funtzionamendu-tenperatura altuagoak jasan ditzakete, eta silizio karburoaren eroankortasun termikoa silizioarena baino 4-5 aldiz handiagoa da, gailuaren beroa erraztuz eta funtzionamendu-tenperatura muga handiagoa eginez. Tenperatura altuko erresistentziak potentzia-dentsitatea nabarmen handitu dezake, hozte-sistemaren eskakizunak murriztuz, terminala arinagoa eta txikiagoa bihurtuz.
Presio handia jasan. Silizio karburoaren haustura-eremu elektrikoaren indarra silizioarena baino 10 aldiz handiagoa da, tentsio handiagoak jasan ditzake eta tentsio handiko gailuetarako egokiagoa da.
Maiztasun handiko erresistentzia. Silizio karburoak silizioarena baino bikoitza den elektroi saturatuen deriba-tasa du, eta ondorioz, ez da korronte-buztanik geratzen itzaltze-prozesuan, eta horrek gailuaren kommutazio-maiztasuna hobetu eta gailuaren miniaturizazioa lor dezake.
Energia-galera txikia. Siliziozko materialarekin alderatuta, silizio karburoak erresistentzia eta galera txikiak ditu. Aldi berean, silizio karburoaren banda-tarte zabalerak asko murrizten ditu ihes-korrontea eta potentzia-galera. Gainera, silizio karburozko gailuak ez du korronte-arrasto fenomenorik itzaltze-prozesuan, eta kommutazio-galera txikia da.
Silizio karburoaren industria-katea
Batez ere substratua, epitaxia, gailuaren diseinua, fabrikazioa, zigilatzea eta abar barne hartzen ditu. Silizio karburoak material erdieroaleen potentzia-gailuraino kristal bakarreko hazkundea, lingote-mozketa, hazkunde epitaxiala, oblearen diseinua, fabrikazioa, ontziratzea eta beste prozesu batzuk izango ditu. Silizio karburo hautsa sintetizatu ondoren, lehenik silizio karburo lingotea egiten da, eta ondoren silizio karburo substratua lortzen da mozketa, ehotze eta leuntze bidez, eta xafla epitaxiala hazkunde epitaxialaren bidez. Oblea epitaxiala silizio karburoz egiten da litografia, grabatzea, ioien inplantazioa, metalen pasibazioa eta beste prozesu batzuen bidez, oblea trokelean mozten da, gailua ontziratzen da eta gailua maskor berezi batean konbinatzen da eta modulu batean muntatzen da.
1. industria-katearen gora: substratua - kristalen hazkundea da prozesuaren oinarrizko lotura
Silizio karburozko substratuak silizio karburozko gailuen kostuaren % 47 inguru hartzen du, fabrikazio-oztopo tekniko handienak, balio handiena, SiC-ren etorkizuneko industrializazio eskala handiko muina da.
Propietate elektrokimikoen desberdintasunen ikuspuntutik, silizio karburozko substratu materialak substratu eroaleetan (15~30mΩ·cm-ko erresistentzia eskualdea) eta substratu erdi-isolatuetan (105Ω·cm-tik gorako erresistentzia). Bi substratu mota hauek gailu diskretuak fabrikatzeko erabiltzen dira, hala nola potentzia gailuak eta irrati-maiztasuneko gailuak, hurrenez hurren, hazkuntza epitaxialaren ondoren. Horien artean, silizio karburozko substratu erdi-isolatua batez ere galio nitruro RF gailuak, gailu fotoelektrikoak eta abar fabrikatzeko erabiltzen da. Gan epitaxial geruza SIC substratu erdi-isolatuan haziz, sic epitaxial plaka prestatzen da, eta hori HEMT gan iso-nitruro RF gailuetan prestatu daiteke. Silizio karburozko substratu eroalea batez ere potentzia gailuak fabrikatzeko erabiltzen da. Siliziozko potentzia-gailuen fabrikazio-prozesu tradizionaletik desberdina, silizio karburozko potentzia-gailua ezin da zuzenean silizio karburozko substratuan egin, silizio karburozko epitaxial geruza substratu eroalean hazi behar da silizio karburozko xafla epitaxiala lortzeko, eta epitaxial geruza Schottky diodoan, MOSFETean, IGBTan eta beste potentzia-gailu batzuetan fabrikatzen da.
Silizio karburo hautsa karbono hauts purutasun handikotik eta silizio hauts purutasun handikotik sintetizatu zen, eta tamaina desberdinetako silizio karburo lingoteak tenperatura-eremu berezi batean hazi ziren, eta ondoren silizio karburo substratua hainbat prozesatzeko prozesuren bidez ekoiztu zen. Prozesu nagusiak honako hauek ditu:
Lehengaien sintesia: purutasun handiko silizio hautsa + tonerra formularen arabera nahasten dira, eta erreakzioa erreakzio-ganberan egiten da, 2000 °C-tik gorako tenperatura altuan, kristal mota eta partikula tamaina espezifikoko silizio karburo partikulak sintetizatzeko. Ondoren, birrintze, bahetze, garbiketa eta beste prozesu batzuen bidez, purutasun handiko silizio karburo hauts lehengaien eskakizunak betetzeko.
Kristalen hazkuntza silizio karburo substratuen fabrikazioaren oinarrizko prozesua da, eta silizio karburo substratuen propietate elektrikoak zehazten ditu. Gaur egun, kristalen hazkuntzarako metodo nagusiak lurrun-transferentzia fisikoa (PVT), tenperatura altuko lurrun-deposizio kimikoa (HT-CVD) eta fase likidoko epitaxia (LPE) dira. Horien artean, PVT metodoa da gaur egun SiC substratuen hazkuntza komertzialerako metodo nagusia, heldutasun tekniko handiena duena eta ingeniaritzan gehien erabiltzen dena.
SiC substratuaren prestaketa zaila da, eta horrek bere prezioa altua dakar.
Tenperatura-eremuaren kontrola zaila da: Si kristal-hagaxkaren hazkuntzak 1500 ℃ besterik ez ditu behar, SiC kristal-hagaxkak, berriz, 2000 ℃-tik gorako tenperatura altuan hazi behar da, eta 250 SiC isomero baino gehiago daude, baina potentzia-gailuak ekoizteko 4H-SiC kristal bakarreko egitura nagusiak, kontrol zehatza ez bada, beste kristal-egitura batzuk lortuko ditu. Gainera, gurutzean dagoen tenperatura-gradienteak SiC sublimazio-transferentziaren abiadura eta kristal-interfazean dauden gas-atomoen antolaketa eta hazkuntza-modua zehazten ditu, eta horrek kristalaren hazkuntza-tasan eta kristalaren kalitatean eragiten du, beraz, beharrezkoa da tenperatura-eremuaren kontrol-teknologia sistematiko bat eratzea. Si materialekin alderatuta, SiC ekoizpenean aldea tenperatura altuko prozesuetan ere badago, hala nola tenperatura altuko ioien inplantazioa, tenperatura altuko oxidazioa, tenperatura altuko aktibazioa eta tenperatura altuko prozesu hauek behar duten maskara gogorraren prozesua.
Kristalen hazkunde motela: Si kristal hagatxoaren hazkunde-tasa 30 ~ 150 mm/h-ra irits daiteke, eta 1-3 m-ko siliziozko kristal hagatxoaren ekoizpenak egun 1 inguru besterik ez du behar; PVT metodoarekin SiC kristal hagatxoaren adibidez, hazkunde-tasa 0,2-0,4 mm/h ingurukoa da, 7 egun 3-6 cm baino gutxiago hazteko, hazkunde-tasa silizio materialaren % 1 baino txikiagoa da, ekoizpen-ahalmena oso mugatua da.
Produktu-parametro altuak eta etekin txikia: SiC substratuaren oinarrizko parametroen artean daude mikrotubulu-dentsitatea, dislokazio-dentsitatea, erresistentzia, deformazioa, gainazaleko zimurtasuna, etab. Sistema-ingeniaritza konplexua da atomoak tenperatura altuko ganbera itxi batean antolatzeko eta kristalen hazkundea osatzeko, parametro-indizeak kontrolatzen diren bitartean.
Materialak gogortasun handia, hauskortasun handia, ebaketa-denbora luzea eta higadura handia ditu: SiC Mohs-en 9,25eko gogortasuna diamantearen atzetik bigarrena da, eta horrek ebaketa, artezketa eta leunketa zailtasuna nabarmen handitzen du, eta 120 ordu inguru behar dira 3 cm-ko lodierako lingote baten 35-40 pieza ebakitzeko. Gainera, SiC-ren hauskortasun handia dela eta, oblea prozesatzean higadura handiagoa izango da, eta irteera-erlazioa % 60 ingurukoa baino ez da.
Garapen joera: Tamaina handitzea + prezioa gutxitzea
Mundu mailako SiC merkatuko 6 hazbeteko bolumen-ekoizpen lerroa heltzen ari da, eta enpresa nagusiak 8 hazbeteko merkatuan sartu dira. Garapen proiektu nazionalak batez ere 6 hazbetekoak dira. Gaur egun, bertako enpresa gehienak 4 hazbeteko ekoizpen lerroetan oinarritzen diren arren, industria pixkanaka 6 hazbetekoetara hedatzen ari da, eta 6 hazbeteko euskarri ekipamenduen teknologiaren heldutasunarekin, etxeko SiC substratu teknologia ere pixkanaka hobetzen ari da, tamaina handiko ekoizpen lerroen eskala ekonomiak islatuko dira, eta egungo etxeko 6 hazbeteko masa ekoizpen denbora tartea 7 urtera murriztu da. Oblearen tamaina handiagoak txip bakarreko kopurua handitzea, errendimendu tasa hobetzea eta ertzeko txipen proportzioa murriztea ekar dezake, eta ikerketa eta garapen kostua eta errendimendu galera % 7 inguruan mantenduko dira, horrela oblearen erabilera hobetuz.
Gailuen diseinuan zailtasun asko daude oraindik
SiC diodoen merkaturatzea pixkanaka hobetzen ari da, gaur egun, hainbat fabrikatzaile nazionalek SiC SBD produktuak diseinatu dituzte, tentsio ertaineko eta handiko SiC SBD produktuek egonkortasun ona dute, ibilgailuen OBC-an, SiC SBD + SI IGBT erabiltzen da korronte-dentsitate egonkorra lortzeko. Gaur egun, ez dago oztoporik SiC SBD produktuen patente-diseinuan Txinan, eta atzerriko herrialdeekiko aldea txikia da.
SiC MOS-ek oraindik zailtasun asko ditu, oraindik ere aldea dago SiC MOS eta atzerriko fabrikatzaileen artean, eta dagokion fabrikazio plataforma oraindik eraikitzen ari da. Gaur egun, ST, Infineon, Rohm eta beste 600-1700V SiC MOS-ek ekoizpen masiboa lortu dute eta fabrikazio industria askorekin sinatu eta bidali dute, egungo SiC MOS diseinu nazionala funtsean amaituta dagoen bitartean, hainbat diseinu fabrikatzaile fabrikazioekin lanean ari dira oblea fluxu fasean, eta geroago bezeroen egiaztapenak oraindik denbora pixka bat behar du, beraz, oraindik denbora asko falta da eskala handiko merkaturatzerako.
Gaur egun, egitura planarra da aukera nagusia, eta lubaki mota etorkizunean presio handiko eremuan erabiliko da. SiC MOS egitura planarren fabrikatzaile asko daude, egitura planarrak ez du erraz sortzen matxura arazoak tokikoak ildaskarekin alderatuta, lanaren egonkortasunean eragina izanik, 1200V azpiko merkatuan aplikazio-balio sorta zabala du, eta egitura planarra nahiko sinplea da fabrikazioan, fabrikazio-gaitasuna eta kostuen kontrola bi alderdi betetzeko. Ildaskaren gailuak induktantzia parasito oso baxua, kommutazio-abiadura azkarra, galera txikia eta errendimendu nahiko altua ditu.
2--SiC oblearen berriak
Silizio karburoaren merkatuaren ekoizpenaren eta salmenten hazkundearen arabera, eskaintzaren eta eskariaren arteko egiturazko desorekari erreparatu.
Maiztasun handiko eta potentzia handiko potentzia elektronikaren merkatuaren eskariaren hazkunde azkarrarekin, siliziozko erdieroaleen gailuen muga fisikoen oztopoa pixkanaka nabarmendu da, eta silizio karburoak (SiC) ordezkatzen dituen hirugarren belaunaldiko erdieroale materialak pixkanaka industrializatu dira. Materialaren errendimenduaren ikuspuntutik, silizio karburoak silizio materialaren banda-tartearen zabalera 3 aldiz handiagoa du, eremu elektrikoaren haustura kritikoaren 10 aldiz handiagoa eta eroankortasun termikoaren 3 aldiz handiagoa; beraz, silizio karburozko potentzia gailuak maiztasun handiko, presio handiko, tenperatura handiko eta beste aplikazio batzuetarako egokiak dira, eta potentzia elektronikoko sistemen eraginkortasuna eta potentzia-dentsitatea hobetzen laguntzen dute.
Gaur egun, SiC diodoak eta SiC MOSFETak pixkanaka merkatura joan dira, eta produktu helduagoak daude, eta horien artean SiC diodoak siliziozko diodoen ordez asko erabiltzen dira arlo batzuetan, ez baitute alderantzizko berreskurapen kargaren abantailarik; SiC MOSFETA pixkanaka automobilgintzan, energia biltegiratzean, kargatzeko piletan, fotovoltaikoan eta beste arlo batzuetan ere erabiltzen da; automobilgintzako aplikazioen arloan, modularizazio joera gero eta nabarmenagoa da, SiC-ren errendimendu bikainak ontziratze prozesu aurreratuetan oinarritu behar du lortzeko, teknikoki nahiko heldua den maskor zigilatzea nagusi den heinean, etorkizuneko edo plastikozko zigilatze garapenerako, bere garapen ezaugarri pertsonalizatuak egokiagoak dira SiC moduluetarako.
Silizio karburoaren prezioaren jaitsiera abiadura edo irudimenaren gainetik
Silizio karburozko gailuen aplikazioa kostu handiak mugatzen du batez ere, SiC MOSFETen prezioa maila beraren azpitik Si oinarritutako IGBTena baino 4 aldiz handiagoa da, hau da, silizio karburoaren prozesua konplexua delako, kristal bakarreko eta epitaxialaren hazkundea ez baita ingurumenarentzat gogorra bakarrik, hazkunde-tasa ere motela delako, eta kristal bakarreko substratuan prozesatzeko ebaketa eta leuntze prozesu bat igaro behar delako. Bere materialaren ezaugarri propioak eta prozesatzeko teknologia heldugabea direla eta, etxeko substratuaren errendimendua % 50 baino txikiagoa da, eta hainbat faktorek substratuaren eta epitaxialaren prezioak altuak eragiten dituzte.
Hala ere, silizio karburozko gailuen eta silizio-oinarritutako gailuen kostuen osaera guztiz kontrakoa da, aurreko kanalaren substratuaren eta epitaxialaren kostuak gailu osoaren % 47 eta % 23 dira, hurrenez hurren, guztira % 70 inguru; gailuaren diseinuak, fabrikazioak eta atzeko kanalaren zigilatze-loturak % 30 baino ez dira; silizio-oinarritutako gailuen ekoizpen-kostua batez ere atzeko kanalaren oblea-fabrikazioan kontzentratzen da (% 50 inguru), eta substratuaren kostua % 7 baino ez da. Silizio karburozko industria-katearen balioa alderantziz jarrita dagoen fenomenoak esan nahi du goiko substratuaren epitaxia fabrikatzaileek hitz egiteko eskubidea dutela, eta hori da etxeko eta atzerriko enpresen diseinuaren gakoa.
Merkatuaren ikuspuntu dinamikotik, silizio karburoaren kostua murrizteak, silizio karburoaren kristal luzea eta xerratze prozesua hobetzeaz gain, oblearen tamaina handitzea dakar, eta hori ere iraganean erdieroaleen garapenerako bide heldua izan da. Wolfspeed-en datuek erakusten dute silizio karburoaren substratua 6 hazbetetik 8 hazbetera hobetzeak txiparen ekoizpen kualifikatua % 80-90 handitu dezakeela, eta errendimendua hobetzen lagun dezakeela. Unitate-kostu konbinatua % 50 murriztu dezake.
2023a "8 hazbeteko SiC lehen urtea" bezala ezagutzen da. Aurten, silizio karburozko fabrikatzaile nazional eta atzerritarrek 8 hazbeteko silizio karburoaren diseinua bizkortzen ari dira, hala nola Wolfspeed-ek 14.550 milioi dolarreko inbertsio eroa egin du silizio karburoaren ekoizpena zabaltzeko, eta horren zati garrantzitsu bat 8 hazbeteko SiC substratuen fabrikazio planta baten eraikuntza da. Etorkizunean 200 mm-ko SiC metal biluziaren hornidura bermatzeko hainbat enpresari; Tianyue Advanced eta Tianke Heda enpresek ere epe luzerako akordioak sinatu dituzte Infineon-ekin etorkizunean 8 hazbeteko silizio karburozko substratuak hornitzeko.
Aurten hasita, silizio karburoa 6 hazbetetik 8 hazbeteraino azeleratuko da. Wolfspeed-ek aurreikusten du 2024rako 8 hazbeteko substratuaren txiparen kostu unitarioa % 60 baino gehiago murriztuko dela, 2022an 6 hazbeteko substratuaren txiparen kostu unitarioarekin alderatuta, eta kostuen jaitsierak aplikazioen merkatua gehiago irekiko duela, Ji Bond Consulting-en ikerketa-datuek adierazi dutenez. 8 hazbeteko produktuen merkatu-kuota % 2 baino txikiagoa da gaur egun, eta % 15 ingurura haziko dela espero da 2026rako.
Izan ere, silizio karburozko substratuaren prezioaren jaitsieraren erritmoak jende askoren irudimena gainditu dezake, 6 hazbeteko substratuaren egungo merkatu eskaintza 4000-5000 yuan/pieza da, urte hasierarekin alderatuta asko jaitsi da, datorren urtean 4000 yuan azpitik jaistea espero da, kontuan izan behar da fabrikatzaile batzuek, lehen merkatua lortzeko, salmenta prezioa kostu lerroaren azpitik jaitsi dutela, prezio gerraren eredua ireki da, batez ere silizio karburozko substratuaren hornidura nahiko nahikoa izan da tentsio baxuko eremuan, bertako eta atzerriko fabrikatzaileek ekoizpen ahalmena oldarkorki zabaltzen ari dira, edo silizio karburozko substratuaren gehiegizko hornidura uste baino lehenago uzten dute.
Argitaratze data: 2024ko urtarrilaren 19a