碳化硅迈入新时代 ST 25年研发突破技术挑战

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  1996年，ST开始与卡塔尼亚大学合作研发碳化硅(SiC)，今天，SiC正在彻底改变电动汽车。

  为了庆祝ST研发SiC 25周年，我们决定探讨SiC在当今半导体行业中所扮演的角色，ST的碳化硅研发是如何取得成功的，以及未来发展方向。Exawatt的一项研究指出，到2030年，70%的乘用车将采用SiC MOSFET。这项技术也正在改变其他市场，例如，太阳能逆变器、储能系统、服务器电源、充电站等。因此，了解SiC过去25年的发展历程是极其重要的，对今天和明天的工程师大有裨益。

  碳化硅：半导体行业如何克服技术挑战

  SiC的发展历史不仅引人入胜，而且情节紧张激烈，因为捷足先登才能取得先机。SiC特性在20世纪初就已经确立，第一个SiC发光二极管追溯到1907年。物理学家知道，SiC的带隙更宽，比硅宽约2ev，这意味着在室温下SiC器件的临界场强是硅基器件的5倍到10倍。因此，新技术可以极大地提高电力转换效率，同时耐受更高的电压和更恶劣的作业状况。

  碳化硅发展的拦路虎

  阻碍SiC的发展的难题是，直到1996年，都没有人知道如何在半导体晶圆厂实现SiC商用，因为SiC衬底缺陷太多，而且烤箱的高温不能兼容碳化硅材料。此外，半导体行业又耗费了十年时间，才能在两英寸以上的晶圆上制造SiC器件，在大晶圆上加工芯片是降低成本的关键。尽管困难重重，ST还是先行一步，投入巨资研发SiC，并与学术界展开合作，成功地克服了所有这些挑战。

  2002年5月，ST成功研发出了肖特基SiC二极管

  2006年，在3英寸晶圆上制造了SiC二极管

  2007年开始量产第一代SiC二极管

  碳化硅的发展蓝图

  2009年，SiC发展史翻开一个重要篇章，ST推出其首个SiC MOSFET样片，为功率器件的大幅改进打开了大门，成为SiC历史上的一个重要的里程碑。五年后，ST制造了第一代SiC MOSFET。由于前期的投入，此后一切都进展神速。到2017年，也就是第一代MOSFET问世三年后，ST发布了电阻率降低一半以上的第二代MOSFET。2020年，推出了第三代产品，延续这一发展势头。到2016年，ST升级到6英寸晶圆，并已计划在8英寸晶圆上生产SiC晶体管。

  碳化硅：在现今十分重要的原因

  赢得信任的最佳方式

  

  从SiC的研发历史来看，率先扫清基本障碍具有重要意义。作为用SiC衬底制造半导体的先驱，ST提出了新的可以生产出更多更好的SiC器件的解决方案。此外，ST的卡塔尼亚工厂跻身世界上最大的SiC晶圆厂之列，作为市场上领先的SiC器件制造商。ST拥有从150mm晶圆升级到200mm晶圆的制造设备。

  目前ST在卡塔尼亚（意大利）和宏茂桥（新加坡）的两条150mm晶圆生产线正在量产碳化硅旗舰产品，深圳（中国）和Bouskoura（摩洛哥）后工序厂负责封装测试。通过ST碳化硅公司（前身为Norstel A.B.，ST于2019年收购），ST的目标是，到2024年采购内部SiC晶圆的占比达到40%以上，其余的SiC晶圆从其他供应商处采购。

  创造良性循环

  先发优势还能为先行企业创造一个良性循环。随着难题得到解决，产量逐渐提高，ST有机会与客户展开技术合作，例如，新兴的人气颇高的电动汽车迅速采纳了ST的SiC器件，客户给予的反馈让ST能够进一步优化制造工艺，改善产品的电气性能，以推出更高效、更稳健的产品，进而提高产品的采用率，形成一个周而复始的良性循环。现在，ST正在为客户提供额定电压1200 V、电阻率3.3 mΩx cm2的SiC MOSFET。

  碳化硅：工程师的未来期望

  硅（SI）、碳化硅（SiC），以及氮化镓（GaN）

  在讨论SiC的发展前景时，工程师须考虑到宽带隙晶体管的大背景。的确，随着GaN的出现，设计者到底应该如何看待SiC？答案与每种材料的电性能相关。就像SiC不能代替Si一样，GaN也不能代替SiC，虽然在应用上可能有一些交叉，但在大多数应用中，每种材料都赋能新的设计，因此，这三种材料是优势互补的关系。在过去的25年里，ST在SiC方面获得70项专利，还证明了这项新技术根本不会威胁到Si。

  今天和未来的工程师必须了解Si、SiC和GaN在半导体行业中所扮演的角色，例如，SiC在动力电机逆变器或汽车DC-DC变换器中大放异彩，这些应用的总线电压为400 V或800 V，分别需要600 V和1200 V的MOSFET。

  此外，SiC更容易驱动，由于热特性好，SiC比GaN更耐高温，而且，动力电机逆变器无法享受GaN的更高开关频率的好处，所以，汽车设计者更倾向于选用SiC。另一方面，开发团队目前正在用GaN设计电压较低（在100v到600v之间）的应用。此外，在一些工业或消费类应用中，GaN更快的开关速度对提高能效的作用显著。同样，当企业不能从GaN或SiC的更好的能效获益时，硅基器件仍然是一个相对适合的选择。

  迈入新时代

  经过25年的投入与发展，SiC变得越来越成熟。因此，业界不会看到电阻率像以前那样大幅下降，但会看到更稳健可靠的产品。随着ST晶圆厂试验更大的晶圆和新工艺，成本将继续下降。ST正在投资研发SiC衬底技术，提高质量，优化产能，业界可以期待更高的产能和更低的成本，这将大幅推动SiC采用率的提升。