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

          作者: 時(shí)間:2021-08-17 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202108/427643.htm

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          1996年,ST開始與卡塔尼亞大學(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 。這項(xiàng)技術(shù)也正在改變其他市場,例如,太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)、服務(wù)器電源、充電站等。因此,了解SiC過去25年的發(fā)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(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)展史翻開一個(gè)重要篇章,ST推出其首個(gè)SiC 樣片,為功率器件的大幅改進(jìn)打開了大門,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 。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)展勢頭。到2016年,ST升級到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

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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(fā)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(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,作為市場上領(lǐng)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(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)和Bouskoura(摩洛哥)后工序廠負(fù)責(zé)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(biāo)是,到2024年采購內(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。

          創(chuàng)造良性循環(huán)

          先發(fā)優(yōu)勢還能為先行企業(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)會與客戶展開技術(shù)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?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)?,F(xiàn)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(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)勢互補(bǔ)的關(guān)系。在過去的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)根本不會威脅到Si。

          今天和未來的工程師必須了解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,由于熱特性好,SiC比GaN更耐高溫,而且,動力電機(jī)逆變器無法享受GaN的更高開關(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更快的開關(guān)速度對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)相對適合的選擇。

          邁入新時(shí)代

          經(jīng)過25年的投入與發(fā)展, SiC變得越來越成熟。因此,業(yè)界不會看到電阻率像以前那樣大幅下降,但會看到更穩(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SiC采用率的提升。



          關(guān)鍵詞: MOSFET

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