Les dificultats tècniques per produir de manera estable hòsties de carbur de silici d'alta qualitat amb un rendiment estable inclouen:
1) Com que els cristalls han de créixer en un entorn segellat d'alta temperatura per sobre de 2000 ° C, els requisits de control de temperatura són extremadament alts;
2) Atès que el carbur de silici té més de 200 estructures de cristall, però només algunes estructures de carbur de silici d'un sol cristall 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 dels cristalls. 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.
Hòsties epitaxials de SiC: generalment es fabriquen mitjançant el mètode de deposició química de vapor (CVD). Segons els diferents tipus de dopatge, es divideixen en hòsties epitaxials de tipus n i tipus p. Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu domèstics ja poden proporcionar hòsties epitaxials de SiC de 4 polzades/6 polzades. Per a l'epitaxia de SiC, és difícil de controlar en el camp d'alta tensió, 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 del sector: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Epitaxial de carbur de silicihòstia es refereix a una hòstia de carbur de silici en la qual es fa créixer una pel·lícula de cristall únic (capa epitaxial) amb determinats requisits i el mateix que el cristall del substrat sobre el substrat original de carbur de silici. El creixement epitaxial utilitza principalment equips CVD (Chemical Vapor Deposition, ) o equips MBE (Molecular Beam Epitaxy). 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 i 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. En general, quan la tensió és d'uns 600 V, el gruix de la capa epitaxial requerida és d'uns 6 micres; quan la tensió està entre 1200-1700V, 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, és cada cop més difícil controlar la uniformitat del gruix i la resistivitat i la densitat del defecte.
Dispositius SiC: a nivell internacional, s'han industrialitzat 600 ~ 1700V SiC SBD i MOSFET. Els productes principals operen a nivells de tensió inferiors a 1200 V i adopten principalment envasos TO. Pel que fa als preus, els productes de SiC al mercat internacional tenen un preu entre 5 i 6 vegades més alt que els seus homòlegs de Si. No obstant això, els preus estan disminuint a un ritme anual del 10%. amb l'expansió dels materials amunt i la producció de dispositius en els propers 2-3 anys, l'oferta del mercat augmentarà, la qual cosa comportarà noves reduccions de preus. S'espera que quan el preu arribi a 2-3 vegades el dels productes de Si, els avantatges que ofereixen els costos del sistema reduïts i el rendiment millorat impulsin gradualment el SiC a ocupar l'espai de mercat dels dispositius de Si.
L'embalatge tradicional es basa en substrats basats en silici, mentre que els materials semiconductors de tercera generació requereixen un disseny completament nou. L'ús d'estructures d'embalatge 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 de potència SiC són més sensibles a la capacitat i la inductància paràsits. En comparació amb els dispositius de Si, els xips d'alimentació SiC tenen velocitats de commutació més ràpides, cosa que pot provocar sobrepassos, oscil·lacions, augment de les pèrdues de commutació i fins i tot mal funcionament del dispositiu. A més, els dispositius de potència de SiC funcionen a temperatures més altes, i requereixen tècniques de gestió tèrmica més avançades.
S'han desenvolupat una varietat d'estructures diferents en el camp de l'envasament de potència de semiconductors de banda ampla. L'embalatge tradicional del mòdul d'alimentació basat en Si ja no és adequat. Per tal de resoldre els problemes d'alts paràmetres paràsits i de poca eficiència de dissipació de calor de l'embalatge tradicional del mòdul de potència basat en Si, l'embalatge del mòdul de potència SiC adopta la interconnexió sense fil i la tecnologia de refrigeració de doble cara a la seva estructura, i també adopta els materials del substrat amb una millor tèrmica. conductivitat i va intentar integrar condensadors de desacoblament, sensors de temperatura/corrent i circuits d'accionament a l'estructura del mòdul i va desenvolupar una varietat de tecnologies d'embalatge de mòduls diferents. A més, hi ha barreres tècniques elevades 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 neteja, oxidació, fotolitografia, gravat, decapament de fotoresist, implantació d'ions, deposició química de vapor de nitrur de silici, polit, pulverització i passos de processament posteriors per formar l'estructura del dispositiu sobre el substrat de cristall únic de SiC. Els principals tipus de dispositius d'alimentació SiC inclouen díodes SiC, transistors SiC i mòduls d'alimentació SiC. A causa de factors com ara la lenta velocitat de producció de 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 té certes dificultats tècniques:
1) Cal desenvolupar un procés específic que sigui coherent amb les característiques dels materials de carbur de silici. Per exemple: SiC té un punt de fusió elevat, cosa que fa que la difusió tèrmica tradicional sigui ineficaç. Cal utilitzar el mètode de dopatge d'implantació iònica i controlar amb precisió paràmetres com ara 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 ara el gravat en sec, i s'han d'optimitzar i desenvolupar materials de màscara, mescles de gasos, control del pendent de la paret lateral, velocitat de gravat, rugositat de la paret lateral, etc.
2) La fabricació d'elèctrodes metàl·lics en hòsties 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 gran;
3) SiC té un alt desgast de tall, i la duresa del SiC és la segona només per darrere del diamant, que planteja requisits més alts per tallar, rectificar, polir i altres tecnologies.
A més, els dispositius de potència de carbur de silici de rasa són més difícils de fabricar. Segons diferents estructures de dispositius, els dispositius de potència de carbur de silici es poden dividir principalment en dispositius plans i dispositius de rasa. Els dispositius de potència de carbur de silici planar tenen una bona consistència de la unitat i un procés de fabricació senzill, però són propensos a l'efecte JFET i tenen una gran capacitat parasitària i resistència a l'estat. En comparació amb els dispositius plans, els dispositius de potència de carbur de silici de trinxera tenen una consistència d'unitat més baixa i tenen un procés de fabricació més complex. No obstant això, l'estructura de la rasa ajuda a augmentar la densitat de la unitat del dispositiu i és menys probable que produeixi l'efecte JFET, que és beneficiós per resoldre el problema de la mobilitat del canal. Té excel·lents propietats, com ara una petita resistència a l'encesa, una petita capacitat parasitària i un baix consum d'energia de commutació. Té avantatges significatius 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 Gen1 Trench) és només el 75% de l'àrea del xip Gen2 (Plannar2) i la resistència a l'estructura de ROHM Gen3 es redueix un 50% amb la mateixa mida del xip.
El substrat de carbur de silici, l'epitaxia, el front-end, les despeses d'R + D i altres representen el 47%, el 23%, el 19%, el 6% i el 5% del cost de fabricació dels dispositius de carbur de silici, respectivament.
Finalment, ens centrarem a trencar les barreres tècniques dels substrats a la cadena de la indústria del carbur de silici.
El procés de producció de 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 inclou generalment síntesi de matèries primeres, creixement de cristalls, processament de lingots, tall de lingots, mòlta d'hòsties, poliment, neteja i altres enllaços.
L'etapa de creixement del cristall és el nucli de tot el procés, i aquest pas determina les propietats elèctriques del substrat de carbur de silici.
Els materials de carbur de silici són difícils de créixer en fase líquida en condicions normals. El mètode de creixement en fase de vapor popular avui al mercat 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 provocarà el desballestament del producte. En comparació, els materials de silici només requereixen 1600 ℃, que és molt inferior. La preparació de substrats de carbur de silici també s'enfronta a dificultats com el creixement lent de cristalls i els requisits elevats de forma de cristall. El creixement de les hòsties de carbur de silici triga uns 7 a 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 és la segona només per darrere del diamant. Perdrà molt durant el tall, la mòlta i el poliment, i la relació de sortida 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 de diàmetre són cada cop més alts. Requereix una combinació de diversos elements de control tècnic per aconseguir un creixement iteratiu dels cristalls.
Hora de publicació: 22-maig-2024