Pêşgotinek li ser karbîda silîkonê
Karbîda silîkonê (SiC) materyalek nîvconductor a pêkhatî ye ku ji karbon û silîkonê pêk tê, ku yek ji materyalên îdeal e ji bo çêkirina cîhazên germahiya bilind, frekansa bilind, hêza bilind û voltaja bilind. Li gorî materyalê silîkonê yê kevneşopî (Si), valahiya bendê ya karbîda silîkonê 3 qat ji ya silîkonê mezintir e. Germahiya guhêzbar 4-5 qat ji ya silîkonê mezintir e; Voltaja şikestinê 8-10 qat ji ya silîkonê mezintir e; Rêjeya drifta têrbûna elektronîkî 2-3 qat ji ya silîkonê mezintir e, ku pêdiviyên pîşesaziya nûjen ji bo hêza bilind, voltaja bilind û frekansa bilind pêk tîne. Ew bi giranî ji bo hilberîna pêkhateyên elektronîkî yên bilez, frekansa bilind, hêza bilind û ronahiyê tê bikar anîn. Qadên sepandina jêrîn tora jîr, wesayîtên enerjiya nû, enerjiya bayê fotovoltaîk, ragihandina 5G, û hwd. Diyodên karbîda silîkonê û MOSFET bi bazirganî hatine sepandin.
Berxwedana germahiya bilind. Firehiya valahiya bendê ya karbîda silîkonê 2-3 qat ji ya silîkonê ye, di germahiyên bilind de derbasbûna elektronan ne hêsan e, û dikarin li hember germahiyên xebitandinê yên bilindtir li ber xwe bidin, û rêjeya germî ya karbîda silîkonê 4-5 qat ji ya silîkonê ye, ku belavkirina germahiya cîhazê hêsantir dike û sînorê germahiya xebitandinê bilindtir dike. Berxwedana germahiya bilind dikare dendika hêzê bi girîngî zêde bike di heman demê de hewcedariyên li ser pergala sarkirinê kêm dike, termînalê siviktir û piçûktir dike.
Li hember zexta bilind li ber xwe dide. Hêza qada elektrîkê ya şikestinê ya karbîda silîkonê 10 qat ji ya silîkonê mezintir e, ku dikare li hember voltaja bilindtir li ber xwe bide û ji bo cîhazên voltaja bilind guncawtir e.
Berxwedana frekanseke bilind. Sîlîkon karbîd xwedî rêjeyeke du qat ji silîkonê zêdetir a lerizîna elektronan a têrbûyî ye, di encamê de di dema pêvajoya girtinê de dûvika herikê tune ye, ku dikare bi bandor frekanseke guheztina cîhazê baştir bike û cîhazê piçûktir bike.
Windabûna enerjiyê kêm e. Li gorî materyalê silîkonê, karbîda silîkonê xwedî berxwedana vekirinê û windabûna vekirinê ya pir kêm e. Di heman demê de, firehiya valahiya bendê ya bilind a karbîda silîkonê herika rijandinê û windabûna hêzê pir kêm dike. Wekî din, cîhaza karbîda silîkonê di dema pêvajoya girtinê de fenomena şopa herikê çênabe, û windabûna guheztinê kêm e.
Zincîra pîşesaziya karbîda silîkonê
Ew bi giranî substrat, epitaksî, sêwirana cîhazê, çêkirin, mohrkirin û hwd. vedihewîne. Sîlîkon karbîd ji materyalê ber bi cîhaza hêza nîvconductor dê mezinbûna krîstala yekane, perçekirina îngotan, mezinbûna epitaksîyal, sêwirana waferê, çêkirin, pakkirin û pêvajoyên din bibîne. Piştî senteza toza sîlîkon karbîdê, pêşî îngota sîlîkon karbîdê tê çêkirin, û dûv re substrata sîlîkon karbîdê bi perçekirin, hûrkirin û cilandinê tê bidestxistin, û pelê epitaksîyal bi mezinbûna epitaksîyal tê bidestxistin. Wafera epitaksîyal ji sîlîkon karbîdê bi rêya lîtografî, gravurkirin, çandina îyonan, pasîvkirina metal û pêvajoyên din tê çêkirin, wafer di qalibê de tê birîn, cîhaz tê pakkirin, û cîhaz di qalikek taybetî de tê hev kirin û di modulekê de tê civandin.
Jortirîn zincîra pîşesaziyê 1: substrat - mezinbûna krîstal girêdana pêvajoya bingehîn e
Substrata karbîda silîkonê bi qasî 47% ji lêçûna cîhazên karbîda silîkonê pêk tîne, astengiyên teknîkî yên çêkirinê yên herî bilind, nirxa herî mezin, bingeha pîşesazîkirina mezin a pêşerojê ya SiC ye.
Ji perspektîfa taybetmendiyên elektrokîmyayî ve, materyalên substrata karbîda silîkonê dikarin werin dabeş kirin bo substratên guhêzbar (herêma berxwedanê 15~30mΩ·cm) û substratên nîv-îzolekirî (berxwedan ji 105Ω·cm bilindtir). Ev her du celeb substrat piştî mezinbûna epîtaksîyal ji bo çêkirina cîhazên cuda yên wekî cîhazên hêzê û cîhazên frekansa radyoyê têne bikar anîn. Di nav wan de, substrata karbîda silîkonê ya nîv-îzolekirî bi giranî di çêkirina cîhazên RF yên nîtrîda galîyûmê, cîhazên fotoelektrîkî û hwd. de tê bikar anîn. Bi mezinbûna qata epîtaksîyal a gan li ser substrata SIC ya nîv-îzolekirî, plakaya epîtaksîyal a silîkonê tê amadekirin, ku dikare bêtir bibe cîhazên RF yên HEMT gan îzo-nîtrîd. Substrata karbîda silîkonê ya guhêzbar bi giranî di çêkirina cîhazên hêzê de tê bikar anîn. Cuda ji pêvajoya çêkirina cîhaza hêza silîkonê ya kevneşopî, cîhaza hêza silîkonê karbîd rasterast li ser substrata silîkonê karbîd nayê çêkirin, ji bo bidestxistina pelê epîtaksîyal ê silîkonê karbîd, pêdivî ye ku qata epîtaksîyal li ser substrata guhêzbar were mezin kirin, û qata epîtaksîyal li ser dîyoda Schottky, MOSFET, IGBT û cîhazên hêzê yên din tê çêkirin.
Toza karbîda silîkonê ji toza karbonê ya paqijiya bilind û toza silîkonê ya paqijiya bilind hate sentezkirin, û mezinahîyên cûda yên şileya karbîda silîkonê di bin zeviyeke germahiyê ya taybet de hatin çandin, û dûv re substrata karbîda silîkonê bi rêya gelek pêvajoyên pêvajoyê hate hilberandin. Pêvajoya bingehîn ev in:
Senteza madeyên xav: Toza silîkonê ya paqijiya bilind + toner li gorî formulê tê tevlihevkirin, û reaksiyon di odeya reaksiyonê de di bin şert û mercên germahiya bilind ên li jor 2000°C de tê kirin da ku perçeyên karbîda silîkonê bi celebê krîstal û mezinahiya perçeyan a taybetî sentez bikin. Dûv re bi rêya perçekirin, fîltrekirin, paqijkirin û pêvajoyên din, da ku hewcedariyên madeyên xav ên toza karbîda silîkonê ya paqijiya bilind bicîh bîne.
Mezinbûna krîstal pêvajoya bingehîn a çêkirina substrata karbîda silîkonê ye, ku taybetmendiyên elektrîkî yên substrata karbîda silîkonê diyar dike. Niha, rêbazên sereke ji bo mezinbûna krîstal veguhastina buxara fîzîkî (PVT), danîna buxara kîmyewî ya germahiya bilind (HT-CVD) û epîtaksiya qonaxa şil (LPE) ne. Di nav wan de, rêbaza PVT rêbaza sereke ye ji bo mezinbûna bazirganî ya substrata SiC niha, bi gihîştina teknîkî ya herî bilind û herî berfireh di endezyariyê de tê bikar anîn.
Amadekirina substrata SiC dijwar e, û ev jî dibe sedema bihayê wê yê bilind.
Kontrolkirina qada germahiyê dijwar e: Mezinbûna çîpên krîstala Si tenê hewceyê 1500℃ ye, lê çîpên krîstala SiC hewce ne ku di germahiyek bilindtir ji 2000℃ de werin mezin kirin, û zêdetirî 250 îzomerên SiC hene, lê avahiya sereke ya krîstala yekane ya 4H-SiC ji bo hilberîna cîhazên hêzê, heke kontrolek rast nebe, dê avahiyên din ên krîstal bistîne. Wekî din, gradyana germahiyê di xaçerêyê de rêjeya veguhastina sublimasyona SiC û awayê rêzkirin û mezinbûna atomên gazê li ser navrûya krîstalê diyar dike, ku bandorê li rêjeya mezinbûna krîstal û kalîteya krîstalê dike, ji ber vê yekê pêdivî ye ku teknolojiyek kontrola qada germahiyê ya sîstematîk were çêkirin. Li gorî materyalên Si, cûdahiya di hilberîna SiC de di pêvajoyên germahiyê yên bilind de jî heye wekî çandina îyonê ya germahiyê ya bilind, oksîdasyona germahiyê ya bilind, aktîvkirina germahiyê ya bilind, û pêvajoya maskeya hişk a ku ji hêla van pêvajoyên germahiyê yên bilind ve tê xwestin.
Mezinbûna hêdî ya krîstalê: rêjeya mezinbûna çîpa krîstal a Si dikare bigihîje 30 ~ 150 mm/saetê, û hilberîna çîpa krîstal a silîkonê ya 1-3 m tenê nêzîkî 1 rojê digire; mînakî, çîpa krîstal a SiC bi rêbaza PVT, rêjeya mezinbûnê nêzîkî 0.2-0.4 mm/saetê ye, 7 roj ji bo ku ji 3-6 cm kêmtir mezin bibe, rêjeya mezinbûnê ji %1 kêmtir ji madeya silîkonê ye, kapasîteya hilberînê pir bi sînor e.
Parametreyên berhemê yên bilind û berhemdariya kêm: Parametreyên bingehîn ên substrata SiC dendika mîkrotubulê, dendika dislokasyonê, berxwedan, warpage, hişkbûna rûyê, û hwd. Ev endezyariyeke sîstemeke tevlihev e ku atoman di odeyeke girtî ya germahiya bilind de birêxistin bike û mezinbûna krîstalê temam bike, di heman demê de endeksên parametreyan kontrol bike.
Materyal xwedî hişkbûnek bilind, şikestinek bilind, dema birînê ya dirêj û aşînek bilind e: Hişkbûna SiC Mohs a 9.25 tenê piştî elmasê duyemîn e, ku dibe sedema zêdebûnek girîng di dijwarbûna birrîn, hûrkirin û cilandinê de, û bi qasî 120 demjimêran digire ku 35-40 perçeyên ji îngotek 3 cm qalind werin birrîn. Wekî din, ji ber şikestinek bilind a SiC, aşîna pêvajoya waferê dê zêdetir be, û rêjeya derketinê tenê bi qasî %60 e.
Trenda pêşketinê: Zêdebûna mezinahî + kêmbûna bihayê
Xeta hilberîna 6 înç a bazara SiC ya cîhanî gihîştiye astê, û şîrketên pêşeng ketine bazara 8 înç. Projeyên pêşkeftina navxweyî bi giranî 6 înç in. Niha, her çend piraniya şîrketên navxweyî hîn jî li ser xetên hilberîna 4 înç in, lê pîşesazî hêdî hêdî ber bi 6 înç ve berfireh dibe, bi gihîştina teknolojiya alavên piştgirî yên 6 înç re, teknolojiya substrata SiC ya navxweyî jî hêdî hêdî baştir dibe, aboriya pîvanê ya xetên hilberîna mezin dê were nîşandan, û valahiya demê ya hilberîna girseyî ya navxweyî ya 6 înç a heyî teng bûye 7 salan. Mezinahiya waferê ya mezintir dikare bibe sedema zêdebûna hejmara çîpên yekane, rêjeya hilberînê baştir bike, û rêjeya çîpên qiraxê kêm bike, û lêçûna lêkolîn û pêşveçûnê û windabûna hilberînê dê li dora 7% bimîne, bi vî rengî karanîna waferê baştir bike.
Hîn jî gelek zehmetî di sêwirana amûrê de hene
Bazirganîkirina dîyoda SiC hêdî hêdî baştir dibe, niha, hejmarek hilberînerên navxweyî hilberên SiC SBD sêwirandine, hilberên SiC SBD yên voltaja navîn û bilind xwedî îstîqrarek baş in, di OBC-ya wesayîtan de, karanîna SiC SBD+SI IGBT ji bo bidestxistina dendika herikê ya stabîl. Niha, di sêwirana patentê ya hilberên SiC SBD de li Çînê ti asteng tune ne, û valahiya bi welatên biyanî re piçûk e.
SiC MOS hîn jî gelek zehmetiyan dikişîne, hîn jî di navbera SiC MOS û hilberînerên derveyî welat de valahiyek heye, û platforma hilberînê ya têkildar hîn jî di bin çêkirinê de ye. Niha, ST, Infineon, Rohm û SiC MOS-ên din ên 600-1700V gihîştine hilberîna girseyî û bi gelek pîşesaziyên hilberînê re îmze kirine û şandine, di heman demê de sêwirana SiC MOS-a navxweyî ya heyî bi bingehîn qediyaye, hejmarek hilberînerên sêwiranê bi fabrîqeyan re di qonaxa herikîna waferê de dixebitin, û verastkirina xerîdar a paşê hîn jî demek hewce dike, ji ber vê yekê hîn jî demek dirêj ji bazirganiya mezin re heye.
Niha, avahiya planar hilbijartina sereke ye, û celebê xendekê di pêşerojê de bi berfirehî di warê zexta bilind de tê bikar anîn. Gelek hilberînerên SiC MOS-a avahiya planar hene, avahiya planar li gorî xêzikê ne hêsan e ku pirsgirêkên hilweşîna herêmî çêbike, ku bandorê li aramiya xebatê dike, di sûkê de di bin 1200V de xwedî rêjeyek fireh a nirxa serîlêdanê ye, û avahiya planar di dawiya çêkirinê de nisbeten hêsan e, da ku du aliyên çêkirinê û kontrola lêçûnê bicîh bîne. Amûra xêzikê xwedî avantajên enduktansa parazît a pir nizm, leza guheztina bilez, windabûna kêm û performansa nisbeten bilind e.
2--Nûçeyên waferê yên SiC
Mezinbûna hilberîn û firotanê ya bazara karbîda silîkonê, bala xwe bidin nehevsengiya avahîsaziyê ya di navbera peydakirin û daxwazê de
Bi mezinbûna bilez a daxwaza bazarê ji bo elektronîkên hêzê yên frekans û hêza bilind re, tengasiya fîzîkî ya cîhazên nîvconductor ên li ser bingeha silîkonê hêdî hêdî berbiçav bûye, û materyalên nîvconductor ên nifşa sêyemîn ên ku bi silîkon karbîd (SiC) têne temsîl kirin hêdî hêdî bûne pîşesazî. Ji aliyê performansa materyalê ve, silîkon karbîd 3 qat firehiya valahiya bendê ya materyalê silîkonê, 10 qat hêza qada elektrîkê ya şikestina krîtîk, 3 qat guhêrbariya germî heye, ji ber vê yekê cîhazên hêzê yên silîkon karbîd ji bo frekans, zexta bilind, germahiya bilind û serîlêdanên din guncan in, dibin alîkar ku karîgerî û dendika hêzê ya pergalên elektronîkî yên hêzê baştir bikin.
Niha, dîodên SiC û MOSFETên SiC hêdî hêdî derketine bazarê, û hilberên gihîştîtir hene, di nav wan de dîodên SiC li şûna dîodên bingeha silîkonê di hin waran de bi berfirehî têne bikar anîn ji ber ku ew xwedî avantaja barkirina vegerandina berevajî nînin; MOSFETa SiC her weha hêdî hêdî di warên otomatîv, hilanîna enerjiyê, pileya barkirinê, fotovoltaîk û yên din de jî tê bikar anîn; Di warê sepanên otomatîv de, meyla modularîzasyonê her ku diçe diyartir dibe, performansa bilind a SiC hewce dike ku ji bo bidestxistina pêvajoyên pakkirinê yên pêşkeftî ve girêdayî be, ji hêla teknîkî ve bi mohra qalikê ya nisbeten gihîştî wekî sereke, pêşeroj an pêşkeftina mohra plastîk, taybetmendiyên pêşkeftina wê ya xwerû ji bo modulên SiC guncantir in.
Leza daketina bihayê karbîda silîkonê an jî ji xeyalê wêdetir
Bikaranîna cîhazên karbîda silîkonê bi giranî ji ber lêçûna wan a bilind sînordar e, bihayê MOSFETa SiC di heman astê de 4 caran ji ya IGBT-ya li ser bingeha Si bilindtir e, ev ji ber ku pêvajoya karbîda silîkonê tevlihev e, ku tê de mezinbûna krîstala yekane û epîtaksîyal ne tenê li ser jîngehê dijwar e, lê di heman demê de rêjeya mezinbûnê hêdî ye, û pêvajoya yek krîstala nav substratê divê ji pêvajoya birrîn û cilandinê derbas bibe. Li gorî taybetmendiyên materyalê xwe û teknolojiya pêvajoya negihîştî, berhema substrata navxweyî ji %50 kêmtir e, û faktorên cûrbecûr dibin sedema bihayên bilind ên substrat û epîtaksîyal.
Lêbelê, pêkhateya lêçûna cîhazên karbîda silîkonê û cîhazên li ser bingeha silîkonê bi tevahî berevajî ye, lêçûnên substrat û epîtaksî yên kanala pêşiyê bi rêzê ve ji% 47 û% 23-ê tevahiya cîhazê pêk tînin, bi tevahî nêzîkî% 70, sêwirana cîhazê, çêkirin û girêdanên morkirinê yên kanala paşîn tenê ji% 30 pêk tînin, lêçûna hilberîna cîhazên li ser bingeha silîkonê bi giranî di çêkirina waferê ya kanala paşîn de bi qasî% 50 kom dibe, û lêçûna substratê tenê ji% 7 pêk tê. Diyardeya nirxa zincîra pîşesaziya karbîda silîkonê serûbin tê vê wateyê ku hilberînerên epîtaksî yên substrata jorîn mafê axaftinê hene, ku ev mifteya sêwirana pargîdaniyên navxweyî û biyanî ye.
Ji aliyê dînamîk ve li ser bazarê, kêmkirina lêçûna karbîda silîkonê, ji bilî baştirkirina pêvajoya perçekirina krîstala dirêj a karbîda silîkonê, berfirehkirina mezinahiya waferê ye, ku di demên berê de rêya gihîştî ya pêşkeftina nîvconductor bû. Daneyên Wolfspeed nîşan didin ku substrata karbîda silîkonê ji 6 înç ber bi 8 înç ve hatiye nûve kirin, hilberîna çîpa kalîfîye dikare ji sedî 80-90 zêde bibe û bibe alîkar ku berhem baş bibe. Dikare lêçûna yekîneyê ya bi hev re ji sedî 50 kêm bike.
Sala 2023 wekî "sala yekem a SiC-ya 8-inch" tê zanîn, îsal, hilberînerên karbîda silîkonê yên navxweyî û biyanî sêwirana karbîda silîkonê ya 8-inch lez dikin, wek mînak veberhênana dîn a Wolfspeed a 14.55 mîlyar dolarê Amerîkî ji bo berfirehkirina hilberîna karbîda silîkonê, ku beşek girîng a wê avakirina kargeha hilberîna substrata SiC-ya 8-inch e. Ji bo misogerkirina dabînkirina pêşerojê ya metalê tazî yê 200 mm SiC ji bo hejmarek pargîdaniyan; Tianyue Advanced-a Navxweyî û Tianke Heda jî peymanên demdirêj bi Infineon re îmze kirine da ku di pêşerojê de substratên karbîda silîkonê yên 8-inch peyda bikin.
Wolfspeed pêşbînî dike ku ji vê salê pê ve, silicon carbide dê ji 6 înçan bigihêje 8 înçan, û Wolfspeed pêşbînî dike ku heta sala 2024an, lêçûna çîpa yekîneya substrata 8 înçan li gorî lêçûna çîpa yekîneya substrata 6 înçan di sala 2022an de dê ji %60î zêdetir kêm bibe, û kêmbûna lêçûnê dê bazara sepanê bêtir veke, daneyên lêkolînê yên Ji Bond Consulting destnîşan kirin. Para bazarê ya niha ya hilberên 8 înçan ji %2 kêmtir e, û tê payîn ku para bazarê heta sala 2026an bigihêje nêzîkî %15.
Bi rastî, rêjeya daketina bihayê substrata karbîda silîkonê dibe ku ji xeyala gelek kesan derbas bibe, pêşniyara bazarê ya niha ya substrata 6 înç 4000-5000 yuan/parçe ye, li gorî destpêka salê pir daketiye, tê payîn ku sala bê dakeve bin 4000 yuan, hêjayî gotinê ye ku hin hilberîner ji bo ku bazara yekem bi dest bixin, bihayê firotanê kêm kirine xeta lêçûnê ya jêrîn. Modela şerê bihayê vekiriye, bi giranî li ser dabînkirina substrata karbîda silîkonê di warê voltaja nizm de nisbeten têr bûye, hilberînerên navxweyî û biyanî bi awayekî êrîşkar kapasîteya hilberînê berfireh dikin, an jî dihêlin ku qonaxa zêde ya dabînkirina substrata karbîda silîkonê ji ya ku tê xeyal kirin zûtir biqede.
Dema weşandinê: 19ê rêbendana 2024an