Silisyum karbüre giriş
Silisyum karbür (SiC), karbon ve silisyumdan oluşan bir bileşik yarı iletken malzemedir ve yüksek sıcaklık, yüksek frekans, yüksek güç ve yüksek voltajlı cihazlar yapmak için ideal malzemelerden biridir. Geleneksel silisyum malzeme (Si) ile karşılaştırıldığında, silisyum karbürün bant aralığı silisyumun 3 katıdır. Isıl iletkenliği silisyumun 4-5 katıdır; arıza gerilimi silisyumun 8-10 katıdır; elektronik doygunluk sürüklenme oranı silisyumun 2-3 katıdır, bu da modern endüstrinin yüksek güç, yüksek voltaj ve yüksek frekans ihtiyaçlarını karşılar. Esas olarak yüksek hızlı, yüksek frekanslı, yüksek güçlü ve ışık yayan elektronik bileşenlerin üretimi için kullanılır. Sonraki uygulama alanları arasında akıllı şebeke, yeni enerji araçları, fotovoltaik rüzgar enerjisi, 5G iletişimi vb. bulunur. Silisyum karbür diyotlar ve MOSFET'ler ticari olarak uygulanmıştır.
Yüksek sıcaklık dayanımı. Silisyum karbürün bant genişliği silisyumun 2-3 katıdır, elektronların yüksek sıcaklıklarda geçişi kolay değildir ve daha yüksek çalışma sıcaklıklarına dayanabilir. Silisyum karbürün termal iletkenliği ise silisyumun 4-5 katıdır, bu da cihazın ısı dağılımını kolaylaştırır ve sınır çalışma sıcaklığını yükseltir. Yüksek sıcaklık dayanımı, soğutma sistemi gereksinimlerini azaltırken güç yoğunluğunu önemli ölçüde artırabilir ve terminali daha hafif ve daha küçük hale getirir.
Yüksek basınca dayanıklıdır. Silisyum karbürün arıza elektrik alan şiddeti, daha yüksek voltajlara dayanabilen ve yüksek voltajlı cihazlar için daha uygun olan silisyumun 10 katıdır.
Yüksek frekans direnci. Silisyum karbür, silisyumun iki katı doymuş elektron sürüklenme oranına sahiptir, bu da kapatma işlemi sırasında akım kuyruğunun olmamasını sağlar, bu da cihazın anahtarlama frekansını etkili bir şekilde iyileştirebilir ve cihazın minyatürleştirilmesini gerçekleştirebilir.
Düşük enerji kaybı. Silisyum karbür, silisyum malzemeye kıyasla çok düşük bir açık direnç ve düşük bir açık kayba sahiptir. Aynı zamanda, silisyum karbürün yüksek bant aralığı, kaçak akımı ve güç kaybını büyük ölçüde azaltır. Ayrıca, silisyum karbür cihaz, kapanma işlemi sırasında akım izleme fenomeni yaşamaz ve anahtarlama kaybı düşüktür.
Silisyum karbür endüstri zinciri
Temel olarak alt tabaka, epitaksi, cihaz tasarımı, üretim, sızdırmazlık vb. içerir. Silisyum karbür, malzemeden yarı iletken güç cihazına kadar tek kristal büyütme, külçe dilimleme, epitaksiyel büyütme, gofret tasarımı, üretimi, paketleme ve diğer işlemlerden geçer. Silisyum karbür tozunun sentezinden sonra, önce silisyum karbür külçesi üretilir, ardından dilimleme, taşlama ve parlatma yoluyla silisyum karbür alt tabaka elde edilir ve epitaksiyel büyütme ile epitaksiyel tabaka elde edilir. Epitaksiyel gofret, litografi, aşındırma, iyon aşılama, metal pasivasyon ve diğer işlemlerle silisyum karbürden yapılır, gofret kalıba kesilir, cihaz paketlenir ve cihaz özel bir kabuk haline getirilerek bir modül halinde monte edilir.
Endüstri zincirinin yukarı akışı 1: alt tabaka - kristal büyümesi temel süreç bağlantısıdır
Silisyum karbür alt tabaka, silisyum karbür cihazların maliyetinin yaklaşık %47'sini oluşturur, en yüksek üretim teknik engelleri, en büyük değer, SiC'nin gelecekteki büyük ölçekli endüstrileşmesinin çekirdeğini oluşturur.
Elektrokimyasal özellik farklılıkları açısından, silisyum karbür alt tabaka malzemeleri iletken alt tabakalar (özdirenç bölgesi 15~30mΩ·cm) ve yarı yalıtımlı alt tabakalar (özdirenç 105Ω·cm'den yüksek) olarak ikiye ayrılabilir. Bu iki alt tabaka türü, epitaksiyel büyütme işleminden sonra sırasıyla güç cihazları ve radyo frekans cihazları gibi ayrık cihazların üretiminde kullanılır. Bunlar arasında yarı yalıtımlı silisyum karbür alt tabaka, esas olarak galyum nitrür RF cihazları, fotoelektrik cihazlar vb. üretiminde kullanılır. Yarı yalıtımlı SIC alt tabakası üzerine bir gan epitaksiyel tabakası büyütülerek, daha sonra HEMT gan izo-nitrür RF cihazlarına dönüştürülebilen sic epitaksiyel plaka hazırlanır. İletken silisyum karbür alt tabaka ise esas olarak güç cihazlarının üretiminde kullanılır. Geleneksel silikon güç cihazı üretim sürecinden farklı olarak, silikon karbür güç cihazı doğrudan silikon karbür alt tabaka üzerinde yapılamaz, silikon karbür epitaksiyel tabakayı elde etmek için silikon karbür epitaksiyel tabakanın iletken alt tabaka üzerinde büyütülmesi gerekir ve epitaksiyel tabaka Schottky diyot, MOSFET, IGBT ve diğer güç cihazları üzerinde üretilir.
Silisyum karbür tozu, yüksek saflıkta karbon tozu ve yüksek saflıkta silisyum tozundan sentezlendi ve farklı boyutlarda silisyum karbür külçeleri özel bir sıcaklık alanında büyütüldü ve ardından çeşitli işleme süreçleriyle silisyum karbür alt tabaka üretildi. Temel süreç şunları içerir:
Hammadde sentezi: Yüksek saflıkta silisyum tozu + toner, formüle göre karıştırılır ve reaksiyon haznesinde 2000°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklık koşullarında reaksiyon gerçekleştirilerek belirli kristal tipi ve parçacık boyutuna sahip silisyum karbür parçacıkları sentezlenir. Ardından, yüksek saflıkta silisyum karbür tozu hammaddelerinin gereksinimlerini karşılamak için kırma, eleme, temizleme ve diğer işlemlerden geçirilir.
Kristal büyütme, silisyum karbür alt tabaka üretiminin temel sürecidir ve silisyum karbür alt tabakanın elektriksel özelliklerini belirler. Günümüzde kristal büyütme için kullanılan başlıca yöntemler fiziksel buhar transferi (PVT), yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme (HT-CVD) ve sıvı faz epitaksisidir (LPE). Bunlar arasında PVT yöntemi, şu anda SiC alt tabakanın ticari olarak büyütülmesi için en yaygın kullanılan yöntem olup, en yüksek teknik olgunluğa sahip ve mühendislikte en yaygın kullanılan yöntemdir.
SiC alt tabakasının hazırlanması zordur ve bu da fiyatının yüksek olmasına neden olur
Sıcaklık alanı kontrolü zordur: Si kristal çubuk büyümesinin yalnızca 1500℃'ye ihtiyacı varken, SiC kristal çubuğun 2000℃'nin üzerindeki yüksek bir sıcaklıkta büyütülmesi gerekir ve 250'den fazla SiC izomeri vardır, ancak güç cihazlarının üretimi için ana 4H-SiC tek kristal yapısı, hassas kontrol sağlanmazsa, diğer kristal yapıları elde edecektir. Ek olarak, potadaki sıcaklık gradyanı, SiC süblimleşme transferinin hızını ve kristal arayüzündeki gaz halindeki atomların düzenlenmesini ve büyüme modunu belirler, bu da kristal büyüme hızını ve kristal kalitesini etkiler, bu nedenle sistematik bir sıcaklık alanı kontrol teknolojisi oluşturmak gerekir. Si malzemelerle karşılaştırıldığında, SiC üretimindeki fark, yüksek sıcaklık iyon implantasyonu, yüksek sıcaklık oksidasyonu, yüksek sıcaklık aktivasyonu ve bu yüksek sıcaklık işlemlerinin gerektirdiği sert maske işlemi gibi yüksek sıcaklık işlemlerinde de yatmaktadır.
Yavaş kristal büyümesi: Si kristal çubuğunun büyüme hızı 30 ~ 150 mm/saate ulaşabilir ve 1-3 m silikon kristal çubuğun üretimi yalnızca yaklaşık 1 gün sürer; Örnek olarak PVT yöntemi ile SiC kristal çubuğun büyüme hızı yaklaşık 0,2-0,4 mm/sa, 3-6 cm'den daha az büyümesi 7 gün, büyüme hızı silikon malzemenin %1'inden azdır, üretim kapasitesi son derece sınırlıdır.
Yüksek ürün parametreleri ve düşük verim: SiC alttaşlarının temel parametreleri mikrotübül yoğunluğu, dislokasyon yoğunluğu, özdirenç, eğrilik, yüzey pürüzlülüğü vb.'dir. Atomları kapalı, yüksek sıcaklıklı bir bölmede düzenlemek ve parametre indekslerini kontrol ederek kristal büyümesini tamamlamak karmaşık bir sistem mühendisliğidir.
Malzeme yüksek sertliğe, yüksek kırılganlığa, uzun kesme süresine ve yüksek aşınmaya sahiptir: 9,25'lik SiC Mohs sertliği, elmastan hemen sonra gelir ve bu da kesme, taşlama ve parlatma işlemlerini önemli ölçüde zorlaştırır. 3 cm kalınlığındaki bir külçeden 35-40 parça kesmek yaklaşık 120 saat sürer. Ayrıca, SiC'nin yüksek kırılganlığı nedeniyle, yonga işleme aşınması daha fazla olur ve çıktı oranı yalnızca %60 civarındadır.
Gelişim eğilimi: Boyut artışı + fiyat düşüşü
Küresel SiC pazarı 6 inç hacimli üretim hattı olgunlaşıyor ve lider şirketler 8 inç pazarına girdi. Yurt içi geliştirme projeleri ağırlıklı olarak 6 inçtir. Şu anda, çoğu yurt içi şirket hala 4 inç üretim hatlarına dayalı olsa da, sektör kademeli olarak 6 inçe genişliyor. 6 inç destek ekipman teknolojisinin olgunlaşmasıyla birlikte, yurt içi SiC alt tabaka teknolojisi de kademeli olarak gelişiyor. Büyük boyutlu üretim hatlarının ölçek ekonomileri yansıtılacak ve mevcut yurt içi 6 inç seri üretim zaman aralığı 7 yıla daraldı. Daha büyük gofret boyutu, tekli yonga sayısında bir artış sağlayabilir, verim oranını iyileştirebilir ve kenar yongalarının oranını azaltabilir ve araştırma ve geliştirme maliyeti ve verim kaybı yaklaşık %7'de tutulacak ve böylece gofret kullanımı iyileştirilecektir.
Cihaz tasarımında hala birçok zorluk var
SiC diyotların ticarileştirilmesi giderek yaygınlaşmaktadır. Şu anda, birçok yerli üretici SiC SBD ürünleri tasarlamıştır. Orta ve yüksek voltajlı SiC SBD ürünleri iyi bir stabiliteye sahiptir. Araç OBC'lerinde (OBC) kararlı akım yoğunluğu elde etmek için SiC SBD+SI IGBT kullanılmaktadır. Şu anda, Çin'de SiC SBD ürünlerinin patent tasarımında herhangi bir engel bulunmamaktadır ve yabancı ülkelerle arasındaki fark oldukça azdır.
SiC MOS hala birçok zorlukla karşı karşıya, SiC MOS ile yurtdışı üreticileri arasında hala bir uçurum var ve ilgili üretim platformu hala yapım aşamasında. Şu anda ST, Infineon, Rohm ve diğer 600-1700V SiC MOS seri üretime geçmiş ve birçok üretim endüstrisiyle anlaşmalar imzalayıp sevkiyatlarını gerçekleştirmiş durumda. Mevcut yerli SiC MOS tasarımı ise temel olarak tamamlanmış durumda. Birçok tasarım üreticisi, gofret akış aşamasındaki fabrikalarla çalışıyor ve daha sonraki müşteri doğrulamasının da biraz zamana ihtiyacı var. Bu nedenle, büyük ölçekli ticarileştirmeye daha uzun bir süre var.
Şu anda, düzlemsel yapı ana akım tercihtir ve hendek tipi, gelecekte yüksek basınç alanlarında yaygın olarak kullanılacaktır. Çok sayıda düzlemsel yapı SiC MOS üreticisi vardır. Düzlemsel yapı, oluğa kıyasla yerel arıza sorunlarına yol açması kolay değildir ve bu da işin kararlılığını etkiler. 1200 V'un altındaki pazarda geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir ve düzlemsel yapı, üretilebilirlik ve maliyet kontrolü açısından iki önemli kriteri karşılamak için nispeten basit bir üretim aşamasına sahiptir. Oluk cihazı, son derece düşük parazit endüktansı, hızlı anahtarlama hızı, düşük kayıp ve nispeten yüksek performans avantajlarına sahiptir.
2--SiC gofret haberleri
Silisyum karbür pazarı üretim ve satış büyümesi, arz ve talep arasındaki yapısal dengesizliğe dikkat edin
Yüksek frekanslı ve yüksek güçlü güç elektroniğine olan pazar talebinin hızla artmasıyla birlikte, silikon bazlı yarı iletken cihazların fiziksel sınır darboğazı giderek belirginleşmiş ve silisyum karbür (SiC) ile temsil edilen üçüncü nesil yarı iletken malzemeler giderek endüstriyel hale gelmiştir. Malzeme performansı açısından, silisyum karbür, silikon malzemenin 3 katı bant genişliğine, 10 kat kritik arıza elektrik alan şiddetine ve 3 kat termal iletkenliğe sahiptir; bu nedenle silisyum karbür güç cihazları yüksek frekans, yüksek basınç, yüksek sıcaklık ve diğer uygulamalar için uygundur ve güç elektroniği sistemlerinin verimliliğini ve güç yoğunluğunu artırmaya yardımcı olur.
Günümüzde SiC diyotlar ve SiC MOSFET'ler yavaş yavaş pazara girmiş olup, aralarında bazı alanlarda silikon bazlı diyotlar yerine yaygın olarak kullanılan SiC diyotların da bulunduğu daha olgun ürünler bulunmaktadır; SiC MOSFET ayrıca otomotiv, enerji depolama, şarj yığını, fotovoltaik ve diğer alanlarda da giderek yaygınlaşmaktadır; Otomotiv uygulamaları alanında modülerleştirme eğilimi giderek daha belirgin hale gelmektedir, SiC'nin üstün performansının elde edilmesi için gelişmiş paketleme süreçlerine güvenilmesi gerekmektedir, teknik olarak nispeten olgun kabuk sızdırmazlığı ana akım olarak kullanılmakta olup, gelecekte plastik sızdırmazlık geliştirme için özelleştirilmiş geliştirme özellikleri SiC modülleri için daha uygundur.
Silisyum karbür fiyatının düşüş hızı hayal gücünün ötesinde
Silisyum karbür cihazlarının kullanımı esas olarak yüksek maliyetle sınırlıdır; aynı seviyedeki SiC MOSFET'in fiyatı, Si bazlı IGBT'nin fiyatından 4 kat daha yüksektir. Bunun nedeni, silisyum karbür işleminin karmaşık olması, tek kristal ve epitaksiyel büyümesinin çevreye zararlı olmasının yanı sıra, büyüme hızının yavaş olması ve tek kristalin alt tabakaya işlenmesinin kesme ve parlatma işleminden geçmesi gerektiğidir. Kendi malzeme özelliklerine ve olgunlaşmamış işleme teknolojisine bağlı olarak, yerli alt tabakanın verimi %50'den azdır ve çeşitli faktörler yüksek alt tabaka ve epitaksiyel fiyatlarına yol açar.
Ancak silisyum karbür cihazlar ile silisyum esaslı cihazların maliyet kompozisyonları taban tabana zıttır. Ön kanalın alt tabaka ve epitaksiyel maliyetleri toplam cihazın sırasıyla %47'sini ve %23'ünü oluşturur ve toplamda yaklaşık %70'e ulaşır. Arka kanalın cihaz tasarımı, üretimi ve sızdırmazlık bağlantıları yalnızca %30'unu oluştururken, silisyum esaslı cihazların üretim maliyetinin yaklaşık %50'si esas olarak arka kanalın gofret üretiminde yoğunlaşırken, alt tabaka maliyeti yalnızca %7'lik bir paya sahiptir. Silisyum karbür endüstri zincirinin değer zincirinin tersine dönmesi olgusu, ana akım alt tabaka epitaksi üreticilerinin, yerli ve yabancı işletmelerin yerleşiminin anahtarı olan söz hakkına sahip olduğu anlamına gelir.
Piyasa dinamikleri açısından bakıldığında, silisyum karbür maliyetini düşürmek, silisyum karbür uzun kristal ve dilimleme sürecini iyileştirmenin yanı sıra, geçmişte yarı iletken geliştirmenin olgunlaşmış yolu olan gofret boyutunu genişletmek anlamına gelir. Wolfspeed verileri, silisyum karbür alt tabakanın 6 inçten 8 inçe yükseltilmesiyle nitelikli çip üretiminin %80-90 oranında artabileceğini ve verimin iyileştirilmesine yardımcı olabileceğini göstermektedir. Toplam birim maliyeti %50 oranında azaltılabilir.
2023, "8 inçlik SiC'nin ilk yılı" olarak biliniyor, bu yıl, yerli ve yabancı silisyum karbür üreticileri, 8 inçlik silisyum karbürün yerleşimini hızlandırıyor, örneğin Wolfspeed, silisyum karbür üretim genişlemesi için 14,55 milyar ABD doları tutarında çılgın yatırım yapıyor, bunun önemli bir kısmı 8 inçlik SiC alt tabaka üretim tesisi inşaatı, Gelecekte bir dizi şirkete 200 mm SiC çıplak metal tedarikini sağlamak için; Yerli Tianyue Advanced ve Tianke Heda da gelecekte 8 inçlik silisyum karbür alt tabakaları tedarik etmek için Infineon ile uzun vadeli anlaşmalar imzaladı.
Bu yıldan itibaren silisyum karbür 6 inçten 8 inçe çıkacak. Wolfspeed, 2024 yılına kadar 8 inçlik alt tabakanın birim çip maliyetinin 2022 yılındaki 6 inçlik alt tabakanın birim çip maliyetine kıyasla %60'tan fazla azalacağını ve bu maliyet düşüşünün uygulama pazarını daha da açacağını öngörüyor. Ji Bond Consulting araştırma verileri, 8 inçlik ürünlerin mevcut pazar payının %2'nin altında olduğunu ve pazar payının 2026 yılına kadar yaklaşık %15'e çıkmasının beklendiğini belirtti.
Aslında, silisyum karbür alt tabakanın fiyatındaki düşüş oranı birçok kişinin hayal gücünü aşabilir, mevcut pazar teklifi 6 inçlik alt tabaka 4000-5000 yuan/adettir, yıl başına kıyasla çok düşmüştür, gelecek yıl 4000 yuanın altına düşmesi beklenmektedir, bazı üreticilerin ilk pazarı ele geçirmek için satış fiyatını maliyet çizgisinin altına düşürdüğünü belirtmekte fayda var, fiyat savaşı modeli açıldı, esas olarak silisyum karbür alt tabaka arzına odaklanıldı, düşük voltaj alanında nispeten yeterli oldu, yerli ve yabancı üreticiler agresif bir şekilde üretim kapasitesini genişletiyor veya silisyum karbür alt tabaka arz fazlasının hayal edilenden daha erken aşamaya gelmesine izin veriyor.
Gönderim zamanı: 19 Ocak 2024