Quines són les barreres tècniques del carbur de silici? II

Les dificultats tècniques per produir en massa oblies de carbur de silici d'alta qualitat amb un rendiment estable inclouen:

1) Com que els cristalls han de créixer en un entorn segellat a alta temperatura per sobre dels 2000 °C, els requisits de control de temperatura són extremadament alts;
2) Com que el carbur de silici té més de 200 estructures cristal·lines, però només unes poques estructures de carbur de silici monocristall són els materials semiconductors necessaris, la relació silici-carboni, el gradient de temperatura de creixement i el creixement del cristall s'han de controlar amb precisió durant el procés de creixement del cristall. Paràmetres com la velocitat i la pressió del flux d'aire;
3) Sota el mètode de transmissió en fase de vapor, la tecnologia d'expansió del diàmetre del creixement del cristall de carbur de silici és extremadament difícil;
4) La duresa del carbur de silici és propera a la del diamant, i les tècniques de tall, mòlta i poliment són difícils.

Oblies epitaxials de SiC: normalment es fabriquen mitjançant el mètode de deposició química de vapor (CVD). Segons els diferents tipus de dopatge, es divideixen en oblies epitaxials de tipus n i de tipus p. Les empreses nacionals Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu ja poden subministrar oblies epitaxials de SiC de 4/6 polzades. Per a l'epitaxia de SiC, és difícil de controlar en el camp d'alt voltatge i la qualitat de l'epitaxia de SiC té un impacte més gran en els dispositius de SiC. A més, els equips epitaxials estan monopolitzats per les quatre empreses líders de la indústria: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.

epitaxial de carbur de siliciUna oblia es refereix a una oblia de carbur de silici en què una pel·lícula de monocristall (capa epitaxial) amb certs requisits i els mateixos que els del cristall del substrat es fa créixer sobre el substrat original de carbur de silici. El creixement epitaxial utilitza principalment equips CVD (Deposició Química de Vapor) o equips MBE (Epitaxial de Feix Molecular). Com que els dispositius de carbur de silici es fabriquen directament a la capa epitaxial, la qualitat de la capa epitaxial afecta directament el rendiment del dispositiu. A mesura que el rendiment de resistència a la tensió del dispositiu continua augmentant, el gruix de la capa epitaxial corresponent es fa més gruixut i el control es fa més difícil. Generalment, quan la tensió és d'uns 600 V, el gruix de la capa epitaxial requerit és d'uns 6 micres; quan la tensió és entre 1200 i 1700 V, el gruix de la capa epitaxial requerit arriba als 10-15 micres. Si la tensió arriba a més de 10.000 volts, pot ser necessari un gruix de capa epitaxial de més de 100 micres. A mesura que el gruix de la capa epitaxial continua augmentant, es fa cada cop més difícil controlar la uniformitat del gruix i la resistivitat i la densitat de defectes.

Dispositius SiC: A nivell internacional, s'han industrialitzat els SBD i MOSFET de SiC de 600~1700V. Els productes principals funcionen a nivells de voltatge inferiors a 1200V i adopten principalment encapsulats TO. Pel que fa als preus, els productes de SiC al mercat internacional tenen un preu unes 5-6 vegades superior al dels seus homòlegs de Si. Tanmateix, els preus estan disminuint a una taxa anual del 10%. Amb l'expansió dels materials de producció i dispositius en els propers 2-3 anys, l'oferta del mercat augmentarà, cosa que comportarà més reduccions de preus. S'espera que quan el preu arribi a 2-3 vegades el dels productes de Si, els avantatges que aporta la reducció dels costos del sistema i la millora del rendiment impulsaran gradualment el SiC a ocupar l'espai de mercat dels dispositius de Si.
Els encapsulats tradicionals es basen en substrats de silici, mentre que els materials semiconductors de tercera generació requereixen un disseny completament nou. L'ús d'estructures d'encapsulat tradicionals basades en silici per a dispositius d'alimentació de banda ampla pot introduir nous problemes i reptes relacionats amb la freqüència, la gestió tèrmica i la fiabilitat. Els dispositius d'alimentació de SiC són més sensibles a la capacitança i la inductància paràsites. En comparació amb els dispositius de Si, els xips d'alimentació de SiC tenen velocitats de commutació més ràpides, cosa que pot provocar sobrecàrregues, oscil·lació, augment de les pèrdues de commutació i fins i tot mal funcionament del dispositiu. A més, els dispositius d'alimentació de SiC funcionen a temperatures més altes, cosa que requereix tècniques de gestió tèrmica més avançades.

S'han desenvolupat diverses estructures diferents en el camp de l'encapsulat de potència de semiconductors de banda ampla. L'encapsulat tradicional de mòduls de potència basat en Si ja no és adequat. Per tal de resoldre els problemes d'alts paràmetres paràsits i baixa eficiència de dissipació de calor de l'encapsulat tradicional de mòduls de potència basat en Si, l'encapsulat de mòduls de potència de SiC adopta la interconnexió sense fil i la tecnologia de refrigeració de doble cara en la seva estructura, i també adopta els materials de substrat amb millor conductivitat tèrmica, i ha intentat integrar condensadors de desacoblament, sensors de temperatura/corrent i circuits d'accionament a l'estructura del mòdul, i ha desenvolupat una varietat de tecnologies d'encapsulat de mòduls diferents. A més, hi ha altes barreres tècniques per a la fabricació de dispositius SiC i els costos de producció són elevats.

Els dispositius de carbur de silici es produeixen dipositant capes epitaxials sobre un substrat de carbur de silici mitjançant CVD. El procés implica la neteja, l'oxidació, la fotolitografia, el gravat, l'eliminació de la fotoresina, la implantació d'ions, la deposició química de vapor de nitrur de silici, el poliment, la polvorització i els passos de processament posteriors per formar l'estructura del dispositiu sobre el substrat monocristall de SiC. Els principals tipus de dispositius d'alimentació de SiC inclouen díodes de SiC, transistors de SiC i mòduls d'alimentació de SiC. A causa de factors com la lenta velocitat de producció del material aigües amunt i les baixes taxes de rendiment, els dispositius de carbur de silici tenen costos de fabricació relativament elevats.

A més, la fabricació de dispositius de carbur de silici presenta certes dificultats tècniques:

1) Cal desenvolupar un procés específic que sigui coherent amb les característiques dels materials de carbur de silici. Per exemple: el SiC té un punt de fusió alt, cosa que fa que la difusió tèrmica tradicional sigui ineficaç. Cal utilitzar el mètode de dopatge per implantació iònica i controlar amb precisió paràmetres com la temperatura, la velocitat d'escalfament, la durada i el flux de gas; el SiC és inert als dissolvents químics. S'han d'utilitzar mètodes com el gravat en sec, i s'han d'optimitzar i desenvolupar materials de màscara, mescles de gasos, control del pendent de la paret lateral, la velocitat de gravat, la rugositat de la paret lateral, etc.;
2) La fabricació d'elèctrodes metàl·lics en oblies de carbur de silici requereix una resistència de contacte inferior a 10-5Ω2. Els materials d'elèctrode que compleixen els requisits, Ni i Al, tenen una estabilitat tèrmica deficient per sobre dels 100 °C, però Al/Ni té una millor estabilitat tèrmica. La resistència específica de contacte del material d'elèctrode compost /W/Au és 10-3Ω2 més alta;
3) El SiC té un alt desgast per tall i la duresa del SiC només és superada pel diamant, cosa que planteja requisits més alts per al tall, la mòlta, el poliment i altres tecnologies.

A més, els dispositius de potència de carbur de silici de trinxera són més difícils de fabricar. Segons les diferents estructures de dispositius, els dispositius de potència de carbur de silici es poden dividir principalment en dispositius planars i dispositius de trinxera. Els dispositius de potència de carbur de silici planars tenen una bona consistència unitària i un procés de fabricació senzill, però són propensos a l'efecte JFET i tenen una alta capacitat paràsita i resistència en estat actiu. En comparació amb els dispositius planars, els dispositius de potència de carbur de silici de trinxera tenen una consistència unitària més baixa i un procés de fabricació més complex. Tanmateix, l'estructura de trinxera és propícia per augmentar la densitat d'unitats del dispositiu i és menys probable que produeixi l'efecte JFET, cosa que és beneficiosa per resoldre el problema de la mobilitat del canal. Té propietats excel·lents com ara una petita resistència actiu, una petita capacitat paràsita i un baix consum d'energia de commutació. Té avantatges significatius en termes de cost i rendiment i s'ha convertit en la direcció principal del desenvolupament de dispositius de potència de carbur de silici. Segons el lloc web oficial de Rohm, l'estructura ROHM Gen3 (estructura de trinxera Gen1) només representa el 75% de l'àrea del xip Gen2 (Plannar2), i la resistència actiu de l'estructura ROHM Gen3 es redueix en un 50% per sota de la mateixa mida de xip.

El substrat de carbur de silici, l'epitaxia, les despeses inicials, d'R+D i altres representen el 47%, 23%, 19%, 6% i 5% del cost de fabricació dels dispositius de carbur de silici, respectivament.

Finalment, ens centrarem en trencar les barreres tècniques dels substrats a la cadena industrial del carbur de silici.

El procés de producció dels substrats de carbur de silici és similar al dels substrats basats en silici, però més difícil.
El procés de fabricació del substrat de carbur de silici generalment inclou la síntesi de matèries primeres, el creixement de cristalls, el processament de lingots, el tall de lingots, la mòlta de les oblies, el polit, la neteja i altres enllaços.
L'etapa de creixement del cristall és el nucli de tot el procés i determina les propietats elèctriques del substrat de carbur de silici.

Els materials de carbur de silici són difícils de fer créixer en fase líquida en condicions normals. El mètode de creixement en fase de vapor popular al mercat actual té una temperatura de creixement superior a 2300 °C i requereix un control precís de la temperatura de creixement. Tot el procés d'operació és gairebé difícil d'observar. Un petit error conduirà al desballestament del producte. En comparació, els materials de silici només requereixen 1600 ℃, que és molt més baix. La preparació de substrats de carbur de silici també s'enfronta a dificultats com ara un creixement lent dels cristalls i uns requisits elevats de forma cristal·lina. El creixement de les oblies de carbur de silici triga entre 7 i 10 dies, mentre que l'extracció de varetes de silici només triga 2 dies i mig. A més, el carbur de silici és un material la duresa del qual només és superada pel diamant. Perdrà molt durant el tall, la mòlta i el polit, i la relació de producció és només del 60%.

Sabem que la tendència és augmentar la mida dels substrats de carbur de silici, a mesura que la mida continua augmentant, els requisits per a la tecnologia d'expansió del diàmetre són cada cop més alts. Requereix una combinació de diversos elements de control tècnic per aconseguir un creixement iteratiu dels cristalls.