碳化硅邁入新時(shí)代 ST 25年研發(fā)突破技術(shù)挑戰(zhàn)

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  1996年，ST開(kāi)始與卡塔尼亞大學(xué)合作研發(fā)碳化硅(SiC)，今天，SiC正在徹底改變電動(dòng)汽車。

  為了慶祝ST研發(fā)SiC 25周年，我們決定探討SiC在當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)中所扮演的角色，ST的碳化硅研發(fā)是如何取得成功的，以及未來(lái)發(fā)展方向。Exawatt的一項(xiàng)研究指出，到2030年，70%的乘用車將采用SiC MOSFET。這項(xiàng)技術(shù)也正在改變其他市場(chǎng)，例如，太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、服務(wù)器電源、充電站等。因此，了解SiC過(guò)去25年的發(fā)展歷程是極其重要的，對(duì)今天和明天的工程師大有裨益。

  碳化硅：半導(dǎo)體行業(yè)如何克服技術(shù)挑戰(zhàn)

  SiC的發(fā)展歷史不僅引人入勝，而且情節(jié)緊張激烈，因?yàn)榻葑阆鹊遣拍苋〉孟葯C(jī)。SiC特性在20世紀(jì)初就已經(jīng)確立，第一個(gè)SiC發(fā)光二極管追溯到1907年。物理學(xué)家知道，SiC的帶隙更寬，比硅寬約2ev，這意味著在室溫下SiC器件的臨界場(chǎng)強(qiáng)是硅基器件的5倍到10倍。因此，新技術(shù)可以極大地提高電力轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)耐受更高的電壓和更惡劣的作業(yè)狀況。

  碳化硅發(fā)展的攔路虎

  阻礙SiC的發(fā)展的難題是，直到1996年，都沒(méi)有人知道如何在半導(dǎo)體晶圓廠實(shí)現(xiàn)SiC商用，因?yàn)镾iC襯底缺陷太多，而且烤箱的高溫不能兼容碳化硅材料。此外，半導(dǎo)體行業(yè)又耗費(fèi)了十年時(shí)間，才能在兩英寸以上的晶圓上制造SiC器件，在大晶圓上加工芯片是降低成本的關(guān)鍵。盡管困難重重，ST還是先行一步，投入巨資研發(fā)SiC，并與學(xué)術(shù)界展開(kāi)合作，成功地克服了所有這些挑戰(zhàn)。

  2002年5月，ST成功研發(fā)出了肖特基SiC二極管

  2006年，在3英寸晶圓上制造了SiC二極管

  2007年開(kāi)始量產(chǎn)第一代SiC二極管

  碳化硅的發(fā)展藍(lán)圖

  2009年，SiC發(fā)展史翻開(kāi)一個(gè)重要篇章，ST推出其首個(gè)SiC MOSFET樣片，為功率器件的大幅改進(jìn)打開(kāi)了大門，成為SiC歷史上的一個(gè)重要的里程碑。五年后，ST制造了第一代SiC MOSFET。由于前期的投入，此后一切都進(jìn)展神速。到2017年，也就是第一代MOSFET問(wèn)世三年后，ST發(fā)布了電阻率降低一半以上的第二代MOSFET。2020年，推出了第三代產(chǎn)品，延續(xù)這一發(fā)展勢(shì)頭。到2016年，ST升級(jí)到6英寸晶圓，并已計(jì)劃在8英寸晶圓上生產(chǎn)SiC晶體管。

  碳化硅：在現(xiàn)今十分重要的原因

  贏得信任的最佳方式

  

  從SiC的研發(fā)歷史來(lái)看，率先掃清基本障礙具有重要意義。作為用SiC襯底制造半導(dǎo)體的先驅(qū)，ST提出了新的可以生產(chǎn)出更多更好的SiC器件的解決方案。此外，ST的卡塔尼亞工廠躋身世界上最大的SiC晶圓廠之列，作為市場(chǎng)上領(lǐng)先的SiC器件制造商。ST擁有從150mm晶圓升級(jí)到200mm晶圓的制造設(shè)備。

  目前ST在卡塔尼亞（意大利）和宏茂橋（新加坡）的兩條150mm晶圓生產(chǎn)線正在量產(chǎn)碳化硅旗艦產(chǎn)品，深圳（中國(guó)）和Bouskoura（摩洛哥）后工序廠負(fù)責(zé)封裝測(cè)試。通過(guò)ST碳化硅公司（前身為Norstel A.B.，ST于2019年收購(gòu)），ST的目標(biāo)是，到2024年采購(gòu)內(nèi)部SiC晶圓的占比達(dá)到40%以上，其余的SiC晶圓從其他供應(yīng)商處采購(gòu)。

  創(chuàng)造良性循環(huán)

  先發(fā)優(yōu)勢(shì)還能為先行企業(yè)創(chuàng)造一個(gè)良性循環(huán)。隨著難題得到解決，產(chǎn)量逐漸提高，ST有機(jī)會(huì)與客戶展開(kāi)技術(shù)合作，例如，新興的人氣頗高的電動(dòng)汽車迅速采納了ST的SiC器件，客戶給予的反饋?zhàn)孲T能夠進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝，改善產(chǎn)品的電氣性能，以推出更高效、更穩(wěn)健的產(chǎn)品，進(jìn)而提高產(chǎn)品的采用率，形成一個(gè)周而復(fù)始的良性循環(huán)。現(xiàn)在，ST正在為客戶提供額定電壓1200 V、電阻率3.3 mΩx cm2的SiC MOSFET。

  碳化硅：工程師的未來(lái)期望

  硅（SI）、碳化硅（SiC），以及氮化鎵（GaN）

  在討論SiC的發(fā)展前景時(shí)，工程師須考慮到寬帶隙晶體管的大背景。的確，隨著GaN的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)者到底應(yīng)該如何看待SiC？答案與每種材料的電性能相關(guān)。就像SiC不能代替Si一樣，GaN也不能代替SiC，雖然在應(yīng)用上可能有一些交叉，但在大多數(shù)應(yīng)用中，每種材料都賦能新的設(shè)計(jì)，因此，這三種材料是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的關(guān)系。在過(guò)去的25年里，ST在SiC方面獲得70項(xiàng)專利，還證明了這項(xiàng)新技術(shù)根本不會(huì)威脅到Si。

  今天和未來(lái)的工程師必須了解Si、SiC和GaN在半導(dǎo)體行業(yè)中所扮演的角色，例如，SiC在動(dòng)力電機(jī)逆變器或汽車DC-DC變換器中大放異彩，這些應(yīng)用的總線電壓為400 V或800 V，分別需要600 V和1200 V的MOSFET。

  此外，SiC更容易驅(qū)動(dòng)，由于熱特性好，SiC比GaN更耐高溫，而且，動(dòng)力電機(jī)逆變器無(wú)法享受GaN的更高開(kāi)關(guān)頻率的好處，所以，汽車設(shè)計(jì)者更傾向于選用SiC。另一方面，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)目前正在用GaN設(shè)計(jì)電壓較低（在100v到600v之間）的應(yīng)用。此外，在一些工業(yè)或消費(fèi)類應(yīng)用中，GaN更快的開(kāi)關(guān)速度對(duì)提高能效的作用顯著。同樣，當(dāng)企業(yè)不能從GaN或SiC的更好的能效獲益時(shí)，硅基器件仍然是一個(gè)相對(duì)適合的選擇。

  邁入新時(shí)代

  經(jīng)過(guò)25年的投入與發(fā)展，SiC變得越來(lái)越成熟。因此，業(yè)界不會(huì)看到電阻率像以前那樣大幅下降，但會(huì)看到更穩(wěn)健可靠的產(chǎn)品。隨著ST晶圓廠試驗(yàn)更大的晶圓和新工藝，成本將繼續(xù)下降。ST正在投資研發(fā)SiC襯底技術(shù)，提高質(zhì)量，優(yōu)化產(chǎn)能，業(yè)界可以期待更高的產(chǎn)能和更低的成本，這將大幅推動(dòng)SiC采用率的提升。