SiC ఎందుకు అంత "దైవికమైనది"?

సిలికాన్ ఆధారిత పవర్ సెమీకండక్టర్లతో పోలిస్తే, SiC (సిలికాన్ కార్బైడ్) పవర్ సెమీకండక్టర్లు ఫ్రీక్వెన్సీ, నష్టం, ఉష్ణ వెదజల్లడం, సూక్ష్మీకరణ మొదలైన వాటిని మార్చడంలో గణనీయమైన ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి.

టెస్లా ద్వారా సిలికాన్ కార్బైడ్ ఇన్వర్టర్లను పెద్ద ఎత్తున ఉత్పత్తి చేయడంతో, మరిన్ని కంపెనీలు సిలికాన్ కార్బైడ్ ఉత్పత్తులను కూడా దిగుమతి చేసుకోవడం ప్రారంభించాయి.

SiC చాలా "అద్భుతం", దీన్ని ఎలా తయారు చేశారు? ఇప్పుడు అప్లికేషన్లు ఏమిటి? చూద్దాం!

01 ☆ ఒక SiC జననం

ఇతర పవర్ సెమీకండక్టర్ల మాదిరిగానే, SiC-MOSFET పరిశ్రమ గొలుసులో ఇవి ఉన్నాయిపొడవైన క్రిస్టల్ - సబ్‌స్ట్రేట్ - ఎపిటాక్సీ - డిజైన్ - తయారీ - ప్యాకేజింగ్ లింక్. 

పొడవైన క్రిస్టల్

పొడవైన క్రిస్టల్ లింక్ సమయంలో, సింగిల్ క్రిస్టల్ సిలికాన్ ఉపయోగించే టిరా పద్ధతి తయారీకి భిన్నంగా, సిలికాన్ కార్బైడ్ ప్రధానంగా భౌతిక వాయు రవాణా పద్ధతి (PVT, దీనిని మెరుగైన లై లేదా సీడ్ క్రిస్టల్ సబ్లిమేషన్ పద్ధతి అని కూడా పిలుస్తారు), అధిక ఉష్ణోగ్రత రసాయన వాయు నిక్షేపణ పద్ధతి (HTCVD) అనుబంధాలను అవలంబిస్తుంది.

☆ కోర్ స్టెప్

1. కార్బోనిక్ ఘన ముడి పదార్థం;

2. వేడి చేసిన తర్వాత, కార్బైడ్ ఘనపదార్థం వాయువుగా మారుతుంది;

3. విత్తన స్ఫటికం ఉపరితలంపైకి వాయువు తరలింపు;

4. విత్తన స్ఫటికం ఉపరితలంపై వాయువు పెరిగి స్ఫటికంగా మారుతుంది.

చిత్ర మూలం: “PVT గ్రోత్ సిలికాన్ కార్బైడ్‌ను విడదీయడానికి సాంకేతిక స్థానం”

సిలికాన్ బేస్‌తో పోలిస్తే విభిన్నమైన చేతిపనులు రెండు ప్రధాన ప్రతికూలతలను కలిగి ఉన్నాయి:

మొదట, ఉత్పత్తి కష్టం మరియు దిగుబడి తక్కువగా ఉంటుంది.కార్బన్ ఆధారిత వాయు దశ యొక్క ఉష్ణోగ్రత 2300 ° C కంటే ఎక్కువగా పెరుగుతుంది మరియు పీడనం 350MPa ఉంటుంది. మొత్తం డార్క్ బాక్స్ నిర్వహించబడుతుంది మరియు ఇది మలినాలలో కలపడం సులభం. దిగుబడి సిలికాన్ బేస్ కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. వ్యాసం పెద్దదిగా ఉంటే, దిగుబడి తక్కువగా ఉంటుంది.

రెండవది నెమ్మదిగా పెరుగుదల.PVT పద్ధతి యొక్క గవర్నెన్స్ చాలా నెమ్మదిగా ఉంటుంది, వేగం దాదాపు 0.3-0.5mm/h ఉంటుంది మరియు ఇది 7 రోజుల్లో 2cm పెరుగుతుంది. గరిష్టంగా 3-5cm మాత్రమే పెరుగుతుంది మరియు క్రిస్టల్ ఇంగోట్ యొక్క వ్యాసం ఎక్కువగా 4 అంగుళాలు మరియు 6 అంగుళాలు ఉంటుంది.

సిలికాన్ ఆధారిత 72H 2-3 మీటర్ల ఎత్తు వరకు పెరుగుతుంది, దీని వ్యాసం ఎక్కువగా 6 అంగుళాలు మరియు 12 అంగుళాలకు 8-అంగుళాల కొత్త ఉత్పత్తి సామర్థ్యం ఉంటుంది.అందువల్ల, సిలికాన్ కార్బైడ్‌ను తరచుగా క్రిస్టల్ ఇంగోట్ అని పిలుస్తారు మరియు సిలికాన్ క్రిస్టల్ స్టిక్‌గా మారుతుంది.

కార్బైడ్ సిలికాన్ క్రిస్టల్ కడ్డీలు

సబ్‌స్ట్రేట్

పొడవైన క్రిస్టల్ పూర్తయిన తర్వాత, అది ఉపరితల ఉత్పత్తి ప్రక్రియలోకి ప్రవేశిస్తుంది.

లక్ష్యంగా చేసుకున్న కటింగ్, గ్రైండింగ్ (రఫ్ గ్రైండింగ్, ఫైన్ గ్రైండింగ్), పాలిషింగ్ (మెకానికల్ పాలిషింగ్), అల్ట్రా-ప్రెసిషన్ పాలిషింగ్ (కెమికల్ మెకానికల్ పాలిషింగ్) తర్వాత, సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్ పొందబడుతుంది.

ఉపరితలం ప్రధానంగా పోషిస్తుందిభౌతిక మద్దతు, ఉష్ణ వాహకత మరియు వాహకత పాత్ర.ప్రాసెసింగ్ యొక్క కష్టం ఏమిటంటే సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థం ఎక్కువగా, క్రిస్పీగా మరియు రసాయన లక్షణాలలో స్థిరంగా ఉంటుంది. అందువల్ల, సాంప్రదాయ సిలికాన్ ఆధారిత ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులు సిలికాన్ కార్బైడ్ ఉపరితలానికి తగినవి కావు.

కట్టింగ్ ఎఫెక్ట్ యొక్క నాణ్యత సిలికాన్ కార్బైడ్ ఉత్పత్తుల పనితీరు మరియు వినియోగ సామర్థ్యాన్ని (ఖర్చు) నేరుగా ప్రభావితం చేస్తుంది, కాబట్టి ఇది చిన్నదిగా, ఏకరీతి మందంతో మరియు తక్కువ కట్టింగ్‌గా ఉండటం అవసరం.

ప్రస్తుతం,4 -అంగుళాలు మరియు 6 -అంగుళాలు ప్రధానంగా బహుళ-లైన్ కట్టింగ్ పరికరాలను ఉపయోగిస్తాయి,సిలికాన్ స్ఫటికాలను 1 మిమీ కంటే ఎక్కువ మందం లేని సన్నని ముక్కలుగా కత్తిరించడం.

బహుళ-లైన్ కటింగ్ స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం

భవిష్యత్తులో, కార్బోనైజ్డ్ సిలికాన్ వేఫర్‌ల పరిమాణంలో పెరుగుదలతో, పదార్థ వినియోగ అవసరాల పెరుగుదల పెరుగుతుంది మరియు లేజర్ స్లైసింగ్ మరియు కోల్డ్ సెపరేషన్ వంటి సాంకేతికతలు కూడా క్రమంగా వర్తించబడతాయి.

2018లో, ఇన్ఫినియన్ సిల్టెక్ట్రా GmbHని కొనుగోలు చేసింది, ఇది కోల్డ్ క్రాకింగ్ అని పిలువబడే ఒక వినూత్న ప్రక్రియను అభివృద్ధి చేసింది.

సాంప్రదాయ మల్టీ-వైర్ కటింగ్ ప్రక్రియలో 1/4 నష్టంతో పోలిస్తే,కోల్డ్ క్రాకింగ్ ప్రక్రియ సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థంలో 1/8 వంతు మాత్రమే కోల్పోయింది.

పొడిగింపు

సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థం నేరుగా సబ్‌స్ట్రేట్‌పై విద్యుత్ పరికరాలను తయారు చేయలేనందున, పొడిగింపు పొరపై వివిధ పరికరాలు అవసరం.

అందువల్ల, ఉపరితల ఉత్పత్తి పూర్తయిన తర్వాత, పొడిగింపు ప్రక్రియ ద్వారా ఉపరితలంపై ఒక నిర్దిష్ట సింగిల్ క్రిస్టల్ సన్నని పొరను పెంచుతారు.

ప్రస్తుతం, రసాయన వాయు నిక్షేపణ పద్ధతి (CVD) ప్రక్రియను ప్రధానంగా ఉపయోగిస్తున్నారు.

రూపకల్పన

ఉపరితలం తయారు చేయబడిన తర్వాత, అది ఉత్పత్తి రూపకల్పన దశలోకి ప్రవేశిస్తుంది.

MOSFET కోసం, డిజైన్ ప్రక్రియ యొక్క దృష్టి గాడి రూపకల్పనపై ఉంటుంది,ఒకవైపు పేటెంట్ ఉల్లంఘనను నివారించడానికి(ఇన్ఫినియన్, రోమ్, ST, మొదలైనవి పేటెంట్ లేఅవుట్ కలిగి ఉన్నాయి), మరియు మరోవైపుతయారీ సామర్థ్యం మరియు తయారీ ఖర్చులను తీర్చండి.

వేఫర్ తయారీ

ఉత్పత్తి రూపకల్పన పూర్తయిన తర్వాత, అది వేఫర్ తయారీ దశలోకి ప్రవేశిస్తుంది,మరియు ఈ ప్రక్రియ సిలికాన్ మాదిరిగానే ఉంటుంది, ఇది ప్రధానంగా క్రింది 5 దశలను కలిగి ఉంటుంది.

☆దశ 1: మాస్క్‌ను ఇంజెక్ట్ చేయండి

సిలికాన్ ఆక్సైడ్ (SiO2) పొరను తయారు చేస్తారు, ఫోటోరెసిస్ట్ పూత పూస్తారు, సజాతీయీకరణ, బహిర్గతం, అభివృద్ధి మొదలైన దశల ద్వారా ఫోటోరెసిస్ట్ నమూనా ఏర్పడుతుంది మరియు ఎచింగ్ ప్రక్రియ ద్వారా ఆ బొమ్మ ఆక్సైడ్ ఫిల్మ్‌కు బదిలీ చేయబడుతుంది.

☆దశ 2: అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్

ముసుగు వేసిన సిలికాన్ కార్బైడ్ వేఫర్‌ను అయాన్ ఇంప్లాంటర్‌లో ఉంచుతారు, అక్కడ అల్యూమినియం అయాన్‌లను ఇంజెక్ట్ చేసి P-రకం డోపింగ్ జోన్‌ను ఏర్పరుస్తారు మరియు అమర్చిన అల్యూమినియం అయాన్‌లను సక్రియం చేయడానికి ఎనియల్ చేస్తారు.

ఆక్సైడ్ పొర తొలగించబడుతుంది, డ్రెయిన్ మరియు సోర్స్ యొక్క N-రకం వాహక ప్రాంతాన్ని ఏర్పరచడానికి నైట్రోజన్ అయాన్లను P-రకం డోపింగ్ ప్రాంతంలోని ఒక నిర్దిష్ట ప్రాంతంలోకి ఇంజెక్ట్ చేస్తారు మరియు వాటిని సక్రియం చేయడానికి అమర్చబడిన నైట్రోజన్ అయాన్లను ఎనియల్ చేస్తారు.

☆ దశ 3: గ్రిడ్‌ను తయారు చేయండి

గ్రిడ్‌ను తయారు చేయండి. మూలం మరియు కాలువ మధ్య ప్రాంతంలో, గేట్ ఆక్సైడ్ పొరను అధిక ఉష్ణోగ్రత ఆక్సీకరణ ప్రక్రియ ద్వారా తయారు చేస్తారు మరియు గేట్ ఎలక్ట్రోడ్ పొరను గేట్ నియంత్రణ నిర్మాణాన్ని రూపొందించడానికి జమ చేస్తారు.

☆దశ 4: నిష్క్రియ పొరలను తయారు చేయడం

పాసివేషన్ పొరను తయారు చేస్తారు. ఇంటర్ ఎలక్ట్రోడ్ విచ్ఛిన్నతను నివారించడానికి మంచి ఇన్సులేషన్ లక్షణాలతో పాసివేషన్ పొరను జమ చేయండి.

☆దశ 5: డ్రెయిన్-సోర్స్ ఎలక్ట్రోడ్‌లను తయారు చేయండి

డ్రెయిన్ మరియు సోర్స్‌ను తయారు చేయండి. పాసివేషన్ పొరను చిల్లులు చేసి, లోహాన్ని చిమ్మి, డ్రెయిన్ మరియు సోర్స్‌ను ఏర్పరుస్తారు.

ఫోటో మూలం: Xinxi క్యాపిటల్

సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాల లక్షణాల కారణంగా, ప్రక్రియ స్థాయికి మరియు సిలికాన్ ఆధారితానికి మధ్య తక్కువ తేడా ఉన్నప్పటికీ,అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ మరియు ఎనియలింగ్ అధిక ఉష్ణోగ్రత వాతావరణంలో నిర్వహించాల్సిన అవసరం ఉంది.(1600°C వరకు), అధిక ఉష్ణోగ్రత పదార్థం యొక్క జాలక నిర్మాణాన్ని ప్రభావితం చేస్తుంది మరియు ఆ కష్టం దిగుబడిని కూడా ప్రభావితం చేస్తుంది.

అదనంగా, MOSFET భాగాల కోసం,గేట్ ఆక్సిజన్ నాణ్యత ఛానల్ మొబిలిటీ మరియు గేట్ విశ్వసనీయతను నేరుగా ప్రభావితం చేస్తుంది.ఎందుకంటే, సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థంలో రెండు రకాల సిలికాన్ మరియు కార్బన్ అణువులు ఉంటాయి.

అందువల్ల, ఒక ప్రత్యేక గేట్ మీడియం గ్రోత్ పద్ధతి అవసరం (మరొక విషయం ఏమిటంటే సిలికాన్ కార్బైడ్ షీట్ పారదర్శకంగా ఉంటుంది మరియు ఫోటోలిథోగ్రఫీ దశలో స్థాన అమరిక సిలికాన్‌కు కష్టం).

వేఫర్ తయారీ పూర్తయిన తర్వాత, వ్యక్తిగత చిప్‌ను బేర్ చిప్‌గా కట్ చేసి, ప్రయోజనం ప్రకారం ప్యాక్ చేయవచ్చు. వివిక్త పరికరాలకు సాధారణ ప్రక్రియ TO ప్యాకేజీ.

TO-247 ప్యాకేజీలో 650V CoolSiC™ MOSFETలు

ఫోటో: ఇన్ఫినియన్

ఆటోమోటివ్ ఫీల్డ్ అధిక శక్తి మరియు ఉష్ణ వెదజల్లే అవసరాలను కలిగి ఉంటుంది మరియు కొన్నిసార్లు బ్రిడ్జ్ సర్క్యూట్‌లను నేరుగా నిర్మించడం అవసరం (సగం వంతెన లేదా పూర్తి వంతెన, లేదా నేరుగా డయోడ్‌లతో ప్యాక్ చేయబడింది).

అందువల్ల, ఇది తరచుగా మాడ్యూల్స్ లేదా సిస్టమ్స్‌లో నేరుగా ప్యాక్ చేయబడుతుంది. ఒకే మాడ్యూల్‌లో ప్యాక్ చేయబడిన చిప్‌ల సంఖ్య ప్రకారం, సాధారణ రూపం 1 ఇన్ 1 (బోర్గ్‌వార్నర్), 6 ఇన్ 1 (ఇన్ఫినియన్) మొదలైనవి, మరియు కొన్ని కంపెనీలు సింగిల్-ట్యూబ్ సమాంతర పథకాన్ని ఉపయోగిస్తాయి.

బోర్గ్‌వార్నర్ వైపర్

డబుల్-సైడెడ్ వాటర్ కూలింగ్ మరియు SiC-MOSFET లకు మద్దతు ఇస్తుంది

Infineon CoolSiC™ MOSFET మాడ్యూల్స్

సిలికాన్ మాదిరిగా కాకుండా,సిలికాన్ కార్బైడ్ మాడ్యూల్స్ అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద, దాదాపు 200°C వద్ద పనిచేస్తాయి.

సాంప్రదాయ మృదువైన టంకము ఉష్ణోగ్రత ద్రవీభవన స్థానం ఉష్ణోగ్రత తక్కువగా ఉంటుంది, ఉష్ణోగ్రత అవసరాలను తీర్చదు. అందువల్ల, సిలికాన్ కార్బైడ్ మాడ్యూల్స్ తరచుగా తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత వెండి సింటరింగ్ వెల్డింగ్ ప్రక్రియను ఉపయోగిస్తాయి.

మాడ్యూల్ పూర్తయిన తర్వాత, దానిని భాగాల వ్యవస్థకు వర్తింపజేయవచ్చు.

టెస్లా మోడల్ 3 మోటార్ కంట్రోలర్

బేర్ చిప్ ST, స్వీయ-అభివృద్ధి చెందిన ప్యాకేజీ మరియు ఎలక్ట్రిక్ డ్రైవ్ సిస్టమ్ నుండి వస్తుంది.

☆02 SiC యొక్క దరఖాస్తు స్థితి?

ఆటోమోటివ్ రంగంలో, విద్యుత్ పరికరాలను ప్రధానంగా ఉపయోగిస్తారుDCDC, OBC, మోటార్ ఇన్వర్టర్లు, ఎలక్ట్రిక్ ఎయిర్ కండిషనింగ్ ఇన్వర్టర్లు, వైర్‌లెస్ ఛార్జింగ్ మరియు ఇతర భాగాలువాటికి AC/DC వేగవంతమైన మార్పిడి అవసరం (DCDC ప్రధానంగా వేగవంతమైన స్విచ్‌గా పనిచేస్తుంది).

ఫోటో: బోర్గ్‌వార్నర్

సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాలతో పోలిస్తే, SIC పదార్థాలు ఎక్కువగా ఉంటాయిక్రిటికల్ హిమపాతం బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ స్ట్రెంత్(3×106V/సెం.మీ),మెరుగైన ఉష్ణ వాహకత(49W/mK) మరియువిస్తృత బ్యాండ్ అంతరం(3.26eV) శక్తి.

బ్యాండ్ గ్యాప్ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, లీకేజ్ కరెంట్ తక్కువగా ఉంటుంది మరియు సామర్థ్యం అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఉష్ణ వాహకత ఎంత మెరుగ్గా ఉంటే, కరెంట్ సాంద్రత అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. క్రిటికల్ హిమపాతం బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ ఎంత బలంగా ఉంటే, పరికరం యొక్క వోల్టేజ్ నిరోధకతను మెరుగుపరచవచ్చు.

అందువల్ల, ఆన్-బోర్డ్ హై వోల్టేజ్ రంగంలో, ఇప్పటికే ఉన్న సిలికాన్-ఆధారిత IGBT మరియు FRD కలయికను భర్తీ చేయడానికి సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాలతో తయారు చేయబడిన MOSFETలు మరియు SBDలు శక్తి మరియు సామర్థ్యాన్ని సమర్థవంతంగా మెరుగుపరుస్తాయి,ముఖ్యంగా అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ అప్లికేషన్ దృశ్యాలలో స్విచ్చింగ్ నష్టాలను తగ్గించడానికి.

ప్రస్తుతం, ఇది మోటార్ ఇన్వర్టర్లలో పెద్ద ఎత్తున అనువర్తనాలను సాధించే అవకాశం ఉంది, తరువాత OBC మరియు DCDC ఉన్నాయి.

800V వోల్టేజ్ ప్లాట్‌ఫామ్

800V వోల్టేజ్ ప్లాట్‌ఫామ్‌లో, అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ యొక్క ప్రయోజనం ఎంటర్‌ప్రైజెస్‌లను SiC-MOSFET సొల్యూషన్‌ను ఎంచుకోవడానికి ఎక్కువ మొగ్గు చూపుతుంది. అందువల్ల, ప్రస్తుత 800V ఎలక్ట్రానిక్ నియంత్రణ ప్రణాళిక SiC-MOSFETలో ఎక్కువ భాగం.

ప్లాట్‌ఫామ్-స్థాయి ప్రణాళికలో ఇవి ఉంటాయిఆధునిక E-GMP, GM Otenergy - పికప్ ఫీల్డ్, పోర్స్చే PPE మరియు టెస్లా EPA.SiC-MOSFET (మొదటి మోడల్ సిలికా-ఆధారిత IGBT) ను స్పష్టంగా కలిగి లేని పోర్స్చే PPE ప్లాట్‌ఫారమ్ మోడల్‌లు తప్ప, ఇతర వాహన ప్లాట్‌ఫారమ్‌లు SiC-MOSFET పథకాలను అవలంబిస్తాయి.

యూనివర్సల్ అల్ట్రా ఎనర్జీ ప్లాట్‌ఫామ్

800V మోడల్ ప్లానింగ్ ఎక్కువ,గ్రేట్ వాల్ సలోన్ బ్రాండ్ జియాగిరోంగ్, బీకి పోల్ ఫాక్స్ S HI వెర్షన్, ఆదర్శ కారు S01 మరియు W01, జియాపెంగ్ G9, BMW NK1, చంగన్ అవిటా E11 800V ప్లాట్‌ఫామ్‌ను కలిగి ఉంటుందని, BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag తో పాటు, Volkswagen కూడా 800V టెక్నాలజీని పరిశోధనలో ఉంచుతుందని చెప్పారు.

టైర్1 సరఫరాదారులు పొందిన 800V ఆర్డర్‌ల పరిస్థితి నుండి,బోర్గ్‌వార్నర్, వైపాయ్ టెక్నాలజీ, ZF, యునైటెడ్ ఎలక్ట్రానిక్స్, మరియు హుయిచువాన్అన్నీ 800V ఎలక్ట్రిక్ డ్రైవ్ ఆర్డర్‌లను ప్రకటించాయి.

400V వోల్టేజ్ ప్లాట్‌ఫామ్

400V వోల్టేజ్ ప్లాట్‌ఫామ్‌లో, SiC-MOSFET ప్రధానంగా అధిక శక్తి మరియు శక్తి సాంద్రత మరియు అధిక సామర్థ్యాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది.

ప్రస్తుతం భారీగా ఉత్పత్తి చేయబడిన టెస్లా మోడల్ 3\Y మోటార్ లాగా, BYD హాన్‌హౌ మోటార్ యొక్క గరిష్ట శక్తి దాదాపు 200Kw (టెస్లా 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO కూడా ET7 నుండి ప్రారంభమయ్యే SiC-MOSFET ఉత్పత్తులను మరియు తరువాత జాబితా చేయబడే ET5 ను ఉపయోగిస్తుంది. పీక్ పవర్ 240Kw (ET5 210Kw).

అదనంగా, అధిక సామర్థ్యం దృక్కోణం నుండి, కొన్ని సంస్థలు సహాయక వరదలు SiC-MOSFET ఉత్పత్తుల సాధ్యాసాధ్యాలను కూడా అన్వేషిస్తున్నాయి.