半導體設計/制造
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碳化硅邁入新時代 ,ST 25年研發突破技術挑戰

2021-08-17 來源:EEWORLD

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。


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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

 

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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。


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