碳化硅邁入新時代ST 25年研發突破技術挑戰
1996年，ST開始與卡塔尼亞大學合作研發碳化硅(SiC)，今天，SiC正在徹底改變電動汽車。
為了慶祝ST研發SiC 25周年，我們決定探討 SiC在當今半導體行業中所扮演的角色，ST的碳化硅研發是如何取得成功的，以及未來發展方向。Exawatt的一項研究指出，到2030年， 70%的乘用車將采用SiC MOSFET。這項技術也正在改變其他市場，例如，太陽能逆變器、儲能系統、服務器電源、充電站等。因此，了解SiC過去25年的發展歷程是極其重要的，對今天和明天的工程師大有裨益。
碳化硅：半導體行業如何克服技術挑戰
SiC的發展歷史不僅引人入勝，而且情節緊張激烈，因為捷足先登才能取得先機。SiC特性在20世紀初就已經確立，第一個SiC發光二極管追溯到1907年。物理學家知道，SiC的帶隙更寬 ，比硅寬約2ev，這意味著在室溫下SiC器件的臨界場強是硅基器件的5倍到10倍。因此，新技術可以極大地提高電力轉換效率，同時耐受更高的電壓和更惡劣的作業狀況。
碳化硅發展的攔路虎
阻礙SiC的發展的難題是，直到1996年，都沒有人知道如何在半導體晶圓廠實現SiC商用，因為SiC襯底缺陷太多，而且烤箱的高溫不能兼容碳化硅材料。此外，半導體行業又耗費了十年時間，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鍵。盡管困難重重，ST還是先行一步，投入巨資研發SiC，并與學術界展開合作，成功地克服了所有這些挑戰。
· 2002年5月，ST成功研發出了肖特基SiC二極管
· 2006年，在3英寸晶圓上制造了SiC二極管
· 2007年開始量產第一代SiC二極管
碳化硅的發展藍圖
2009年，SiC發展史翻開一個重要篇章，ST推出其首個SiC MOSFET樣片，為功率器件的大幅改進打開了大門，成為SiC歷史上的一個重要的里程碑。五年后，ST制造了第一代SiC MOSFET。由于前期的投入，此后一切都進展神速。到2017年，也就是第一代MOSFET問世三年后，ST發布了電阻率降低一半以上的第二代MOSFET。2020年，推出了第三代產品，延續這一發展勢頭。到2016年，ST升級到6英寸晶圓，并已計劃在8英寸晶圓上生產SiC晶體管。
碳化硅：在現今十分重要的原因
贏得信任的最佳方式
ST圣卡塔尼亞工廠躋身世界上最大的SiC晶圓廠之列
從SiC的研發歷史來看，率先掃清基本障礙具有重要意義。作為用SiC襯底制造半導體的先驅，ST提出了新的可以生產出更多更好的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，作為市場上領先的SiC器件制造商。ST擁有從150mm晶圓升級到200mm晶圓的制造設備。
目前ST在卡塔尼亞(意大利)和宏茂橋(新加坡)的兩條150mm晶圓生產線正在量產碳化硅旗艦產品，深圳(中國)和Bouskoura(摩洛哥)后工序廠負責封裝測試。通過ST碳化硅公司(前身為Norstel A.B.，ST于2019年收購)，ST的目標是，到2024年采購內部SiC晶圓的占比達到40%以上，其余的SiC晶圓從其他供應商處采購。
創造良性循環
先發優勢還能為先行企業創造一個良性循環。隨著難題得到解決，產量逐漸提高，ST有機會與客戶展開技術合作，例如，新興的人氣頗高的電動汽車迅速采納了ST的SiC器件，客戶給予的反饋讓ST能夠進一步優化制造工藝，改善產品的電氣性能，以推出更高效、更穩健的產品，進而提高產品的采用率，形成一個周而復始的良性循環。現在，ST正在為客戶提供額定電壓1200 V、電阻率3.3 mΩ x cm2的SiC MOSFET。
碳化硅：工程師的未來期望
硅(SI)、碳化硅(SiC)，以及氮化鎵(GaN)
在討論SiC的發展前景時，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，設計者到底應該如何看待SiC?答案與每種材料的電性能相關。就像SiC不能代替Si一樣，GaN也不能代替SiC，雖然在應用上可能有一些交叉，但在大多數應用中，每種材料都賦能新的設計，因此，這三種材料是優勢互補的關系。在過去的25年里，ST在SiC方面獲得70項專利，還證明了這項新技術根本不會威脅到Si。
今天和未來的工程師必須了解Si、SiC和GaN在半導體行業中所扮演的角色，例如，SiC在動力電機逆變器或汽車DC-DC變換器中大放異彩，這些應用的總線電壓為400 V或800 V，分別需要600 V和1200 V的 MOSFET。
此外，SiC更容易驅動，由于熱特性好，SiC比GaN更耐高溫，而且，動力電機逆變器無法享受GaN的更高開關頻率的好處，所以，汽車設計者更傾向于選用SiC。另一方面，開發團隊目前正在用GaN設計電壓較低(在100v到600v之間)的應用。此外，在一些工業或消費類應用中，GaN更快的開關速度對提高能效的作用顯著。同樣，當企業不能從GaN或SiC的更好的能效獲益時，硅基器件仍然是一個相對適合的選擇。
邁入新時代
經過25年的投入與發展， SiC變得越來越成熟。因此，業界不會看到電阻率像以前那樣大幅下降，但會看到更穩健可靠的產品。隨著ST晶圓廠試驗更大的晶圓和新工藝，成本將繼續下降。ST正在投資研發SiC襯底技術，提高質量，優化產能，業界可以期待更高的產能和更低的成本，這將大幅推動SiC采用率的提升。
