Korkealaatuisten piikarbidikiekojen vakaan massatuotannon ja vakaan suorituskyvyn teknisiin vaikeuksiin kuuluvat:
1) Koska kiteiden on kasvettava korkeassa lämpötilassa, yli 2000 °C:ssa, lämpötilan säätövaatimukset ovat erittäin korkeat;
2) Koska piikarbidilla on yli 200 kiderakennetta, mutta vain harvat yksikiteisen piikarbidin rakenteet ovat vaadittuja puolijohdemateriaaleja, piin ja hiilen suhdetta, kasvulämpötilagradienttia ja kiteen kasvua on kontrolloitava tarkasti kiteen kasvuprosessin aikana. Parametrit, kuten nopeus ja ilman virtauspaine;
3) Höyryfaasisiirtomenetelmässä piikarbidikiteiden kasvun halkaisijan laajennustekniikka on erittäin vaikeaa;
4) Piikarbidin kovuus on lähellä timantin kovuutta, ja leikkaus-, hionta- ja kiillotustekniikat ovat vaikeita.
Piikarbidiepitaksiaalikiekot: yleensä valmistetaan kemiallisella höyrypinnoitusmenetelmällä (CVD). Eri seostustyyppien mukaan ne jaetaan n- ja p-tyypin epitaksiaalikiekkoihin. Kotimaiset Hantian Tiancheng ja Dongguan Tianyu pystyvät jo toimittamaan 4/6 tuuman piikarbidiepitaksiaalikiekkoja. Piikarbidiepitaksian hallinta on vaikeaa korkeajännitekentässä, ja piikarbidiepitaksian laadulla on suurempi vaikutus piikarbidilaitteisiin. Lisäksi epitaksiaalilaitteet ovat alan neljän johtavan yrityksen, Axitronin, LPE:n, TEL:n ja Nuflaren, monopoliasemassa.
Piikarbidi epitaksiaalinenKiekolla tarkoitetaan piikarbidikiekkoa, jossa alkuperäiselle piikarbidisubstraatille kasvatetaan tiettyjä vaatimuksia täyttävä ja samat vaatimukset täyttävä yksikidekalvo (epitaksiaalikerros) kuin alustakiteellä. Epitaksiaalikasvatus tapahtuu pääasiassa CVD-laitteistolla (Chemical Vapor Deposition) tai MBE-laitteistolla (Molecular Beam Epitaxy). Koska piikarbidilaitteet valmistetaan suoraan epitaksiaalikerrokseen, epitaksiaalikerroksen laatu vaikuttaa suoraan laitteen suorituskykyyn ja saantoon. Laitteen jännitteenkeston kasvaessa vastaavan epitaksiaalikerroksen paksuus paksuuntuu ja sen hallinta vaikeutuu. Yleisesti ottaen, kun jännite on noin 600 V, vaadittu epitaksiaalikerroksen paksuus on noin 6 mikronia; kun jännite on 1200–1700 V, vaadittu epitaksiaalikerroksen paksuus on 10–15 mikronia. Jos jännite ylittää 10 000 volttia, voidaan tarvita yli 100 mikronin epitaksiaalikerroksen paksuus. Epitaksiaalisen kerroksen paksuuden kasvaessa paksuuden ja resistiivisyyden tasaisuuden sekä vikatiheyden hallinta vaikeutuu entisestään.
Piikarbidilaitteet: Kansainvälisesti 600–1700 V:n piikarbidi-SBD- ja MOSFET-transistorit ovat teollistuneet. Valtavirran tuotteet toimivat alle 1200 V:n jännitetasoilla ja niissä käytetään pääasiassa TO-kotelointia. Hintaeroja mitattuna piikarbidituotteiden hinta kansainvälisillä markkinoilla on noin 5–6 kertaa korkeampi kuin piistä valmistettujen vastaavien. Hinnat kuitenkin laskevat 10 %:n vuosivauhdilla, kun materiaalien ja laitteiden tuotanto laajenee seuraavien 2–3 vuoden aikana, mikä johtaa hintojen laskuun. On odotettavissa, että kun hinta nousee 2–3-kertaiseksi piituotteiden hintaan verrattuna, alempien järjestelmäkustannusten ja parantuneen suorituskyvyn tuomat edut ajavat piikarbidin vähitellen valtaamaan piilaitteiden markkinatilan.
Perinteinen kotelointi perustuu piipohjaisiin alustoihin, kun taas kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalit vaativat täysin uudenlaisen suunnittelun. Perinteisten piipohjaisten kotelointirakenteiden käyttö laajan kaistanleveyden teholaitteissa voi tuoda mukanaan uusia taajuuteen, lämmönhallintaan ja luotettavuuteen liittyviä ongelmia ja haasteita. Piikarbiditeholaitteet ovat herkempiä loiskapasitanssille ja -induktanssille. Piikarbiditehosiruilla on nopeammat kytkentänopeudet kuin piikarbiditeholaitteilla, mikä voi johtaa ylitykseen, värähtelyyn, lisääntyneisiin kytkentähäviöihin ja jopa laitteen toimintahäiriöihin. Lisäksi piikarbiditeholaitteet toimivat korkeammissa lämpötiloissa, mikä vaatii kehittyneempiä lämmönhallintatekniikoita.
Laajakaistaisten puolijohdetehopakkausten alalla on kehitetty useita erilaisia rakenteita. Perinteinen piipohjainen tehomoduulipakkaus ei enää sovellu. Perinteisten piipohjaisten tehomoduulipakkausten korkeiden loisparametrien ja heikon lämmönpoistotehokkuuden ongelmien ratkaisemiseksi piikarbiditehomoduulipakkauksissa on otettu käyttöön langaton yhteenliitäntä- ja kaksipuolinen jäähdytystekniikka, ja niissä on käytetty myös paremman lämmönjohtavuuden omaavia substraattimateriaaleja. Lisäksi on pyritty integroimaan irrotuskondensaattoreita, lämpötila-/virta-antureita ja käyttöpiirejä moduulirakenteeseen, ja on kehitetty erilaisia moduulipakkaustekniikoita. Lisäksi piikarbidilaitteiden valmistuksella on suuria teknisiä esteitä ja tuotantokustannukset ovat korkeat.
Piikarbidikomponentteja valmistetaan kerrostamalla epitaksiaalisia kerroksia piikarbidisubstraatille CVD-menetelmällä. Prosessiin kuuluu puhdistus, hapetus, fotolitografia, etsaus, fotoresistin poisto, ioni-istutus, piinitridin kemiallinen höyrypinnoitus, kiillotus, sputterointi ja sitä seuraavat käsittelyvaiheet laiterakenteen muodostamiseksi piikarbidi-yksikidealustalle. Tärkeimpiä piikarbiditehokomponentteja ovat piikarbididiodit, piikarbiditransistorit ja piikarbiditehomoduulit. Hitaan materiaalin tuotantonopeuden ja alhaisen saantoasteen kaltaisten tekijöiden vuoksi piikarbidikomponenttien valmistuskustannukset ovat suhteellisen korkeat.
Lisäksi piikarbidilaitteiden valmistuksessa on tiettyjä teknisiä vaikeuksia:
1) On tarpeen kehittää erityinen prosessi, joka on yhdenmukainen piikarbidimateriaalien ominaisuuksien kanssa. Esimerkiksi: piikarbidilla on korkea sulamispiste, mikä tekee perinteisestä lämpödiffuusiosta tehotonta. On tarpeen käyttää ioni-istutusdopingmenetelmää ja hallita tarkasti parametreja, kuten lämpötilaa, lämmitysnopeutta, kestoa ja kaasun virtausta; piikarbidi on inertti kemiallisille liuottimille. On käytettävä menetelmiä, kuten kuivaetsausta, ja maskimateriaaleja, kaasuseoksia, sivuseinän kaltevuuden, etsausnopeuden, sivuseinän karheuden jne. hallintaa on optimoitava ja kehitettävä.
2) Piikarbidikiekoille tarkoitettujen metallielektrodien valmistus edellyttää alle 10⁻ⁿ kosketusresistanssia. Vaatimukset täyttävillä elektrodimateriaaleilla, Ni:llä ja Al:lla, on huono lämmönkestävyys yli 100 °C:ssa, mutta Al/Ni:llä on parempi lämmönkestävyys. /W/Au-komposiittielektrodimateriaalin kosketusominaisresistanssi on 10⁻ⁿ suurempi;
3) Piikarbidilla on korkea leikkauskuluminen, ja piikarbidin kovuus on toiseksi paras timantin jälkeen, mikä asettaa korkeammat vaatimukset leikkaus-, hionta-, kiillotus- ja muille tekniikoille.
Lisäksi piikarbiditeholaitteiden urarakenne on vaikeampi valmistaa. Eri laiterakenteiden mukaan piikarbiditeholaitteet voidaan jakaa pääasiassa tasomaisiin laitteisiin ja urarakenteisiin. Tasomaisilla piikarbiditeholaitteilla on hyvä yksikkökonsistenssi ja yksinkertainen valmistusprosessi, mutta ne ovat alttiita JFET-ilmiölle ja niillä on suuri loiskapasitanssi ja päällekkäisresistanssi. Verrattuna tasomaisiin laitteisiin, piikarbiditeholaitteilla on alhaisempi yksikkökonsistenssi ja monimutkaisempi valmistusprosessi. Urarakenne kuitenkin edistää laiteyksikkötiheyden kasvua ja aiheuttaa vähemmän JFET-ilmiötä, mikä on hyödyllistä kanavien liikkuvuuden ongelman ratkaisemisessa. Sillä on erinomaiset ominaisuudet, kuten pieni päällekkäisresistanssi, pieni loiskapasitanssi ja alhainen kytkentäenergiankulutus. Sillä on merkittäviä kustannus- ja suorituskykyetuja, ja siitä on tullut piikarbiditeholaitteiden kehityksen valtavirtasuunta. Rohmin virallisen verkkosivuston mukaan ROHM Gen3 -rakenne (Gen1 Trench -rakenne) on vain 75 % Gen2 (Plannar2) -sirun pinta-alasta, ja ROHM Gen3 -rakenteen päällekkäisresistanssi on 50 % pienempi samalla sirukoolla.
Piikarbidisubstraatti, epitaksi, esikäsittely, tutkimus- ja kehityskulut sekä muut muodostavat piikarbidilaitteiden valmistuskustannuksista vastaavasti 47 %, 23 %, 19 %, 6 % ja 5 %.
Lopuksi keskitymme piikarbiditeollisuuden ketjun substraattien teknisten esteiden purkamiseen.
Piikarbidialustojen valmistusprosessi on samanlainen kuin piipohjaisten alustojen, mutta vaikeampi.
Piikarbidisubstraatin valmistusprosessiin kuuluu yleensä raaka-aineiden synteesi, kiteiden kasvatus, harkon käsittely, harkon leikkaus, kiekkojen hionta, kiillotus, puhdistus ja muut linkit.
Kiteenkasvatusvaihe on koko prosessin ydin, ja tämä vaihe määrittää piikarbidisubstraatin sähköiset ominaisuudet.
Piikarbidimateriaaleja on vaikea kasvattaa nestefaasissa normaaleissa olosuhteissa. Markkinoilla nykyään suosittu höyryfaasikasvatusmenetelmä käyttää yli 2300 °C:n kasvulämpötilaa, joka vaatii kasvulämpötilan tarkkaa hallintaa. Koko toimintaprosessia on lähes mahdotonta havaita. Pienikin virhe johtaa tuotteen romuttamiseen. Piimateriaalit puolestaan vaativat vain 1600 ℃:n lämpötilan, mikä on paljon alhaisempi. Piikarbidisubstraattien valmistuksessa on myös vaikeuksia, kuten hidas kiteen kasvu ja korkeat kidemuotovaatimukset. Piikarbidikiekon kasvu kestää noin 7–10 päivää, kun taas piitangon vetäminen kestää vain 2,5 päivää. Lisäksi piikarbidi on materiaali, jonka kovuus on toiseksi paras timantin jälkeen. Se menettää paljon kovuuttaan leikkaamisen, hiomisen ja kiillotuksen aikana, ja tuotantosuhde on vain 60 %.
Tiedämme, että piikarbidisubstraattien koon kasvattaminen on trendinä, ja koon kasvaessa myös halkaisijan laajennusteknologian vaatimukset kasvavat jatkuvasti. Kiteiden iteratiivisen kasvun saavuttamiseksi tarvitaan useiden teknisten ohjauselementtien yhdistelmää.
Julkaisun aika: 22.5.2024