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碳化矽迈入新时代 ST 25年研发突破技术挑战
 

【作者: 意法半導體】2021年07月30日 星期五

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1996年发生了哪些大事?比尔柯林顿连任美国总统;通用汽车成为美国最大的企业;苹果当时的股价约为每股22美分;IBM的「深蓝」成为第一台击败前国际象棋世界冠军Garry Kasparov的超级电脑;同年,意法半导体(STMicroelectronics:ST)开始与卡塔尼亚大学合作研发碳化矽(SiC ),今天,碳化矽正在彻底改变电动汽车。


为了厌祝ST研发碳化矽25周年,我们决定探讨碳化矽在当今半导体产业中所扮演的角色、碳化矽的研发历程,以及未来发展方向。Exawatt的一项研究指出,到2030年,将有高达70%的纯电动车将采用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、伺服器电源、充电站等。因此,了解碳化矽过去25年的发展历程极其重要,对今天和未来的工程师将大有裨益。


碳化矽:半导体产业如何克服技术挑战


图一 :  阻碍碳化矽的发展的难题,在於没有人知道如何能在半导体晶圆厂达到碳化矽商用化。
图一 : 阻碍碳化矽的发展的难题,在於没有人知道如何能在半导体晶圆厂达到碳化矽商用化。

碳化矽的发展史不仅引人入胜,而且情节紧张激烈,因为捷足先登才能取得先机。碳化矽特性在20世纪初就已经确立,而第一个碳化矽发光二极体需追溯到1907年。物理学家知道,碳化矽的能隙更宽,比矽宽约2ev,这意味着在室温下碳化矽元件的临界场强是矽基元件的5倍到10倍。因此,新技术可以极大地提升电力转换效率,同时能承受更高电压和更恶劣的作业状况。


发展阻碍

阻碍碳化矽的发展的难题是,直到1996年,都没有人知道如何能在半导体晶圆厂达到碳化矽商用化,因为碳化矽基板缺陷太多,而且烤箱的高温与碳化矽材料不能相容。此外,半导体产业又耗费了十年时间,才能在两寸以上的晶圆上制造碳化矽元件,在大晶圆上加工晶片是降低成本的关键。尽管困难重重,ST还是先行一步,投入钜资研发碳化矽,并与学术界进行合作,成功地克服了所有挑战。2002年5月,ST成功研发出了第一个萧特基SiC二极体,2006年,在3寸晶圆上制造了碳化矽二极体,2007年开始量产第一代碳化矽二极体。


发展蓝图

2009年,碳化矽发展史开启一个重要篇章,ST推出其首个SiC MOSFET样片,为功率元件大幅改进打开了大门,成为碳化矽历史上一个重要的里程碑。五年後,ST制造了第一代SiC MOSFET。由於前期的投入,此後一切都进展神速。到2017年,也就是第一代MOSFET问世三年後,ST推出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,延续这一发展态势。到2016年,ST升级到6寸晶圆,并已计画在8寸晶圆上生产碳化矽电晶体。


碳化矽:在现今十分重要的原因

取得信任的最隹方式

图二 : ST圣卡塔尼亚工厂跻身世界上最大的碳化矽晶圆厂之列,
图二 : ST圣卡塔尼亚工厂跻身世界上最大的碳化矽晶圆厂之列,

从碳化矽的研发历史来看,率先消弭基本障碍具有重要意义。作为用碳化矽基板制造半导体的先驱,ST推出可以生产出更多更好之碳化矽元件的新解决方案。此外,ST的卡塔尼亚厂跻身世界上最大的碳化矽晶圆厂之列,拥有从6寸晶圆升级到8寸晶圆的制造设备。因此,碳化矽早期投资带来回报,不管订单多少,ST都能确保稳定供货。


目前ST在卡义大利塔尼亚和新加坡宏茂桥的两条6寸晶圆生产线正在量产碳化矽旗舰产品,中国深圳和摩洛哥Bouskoura後段制程则负责封装测试。透过ST碳化矽公司(前身为Norstel A.B.,ST於2019年收购),ST的目标是,到2024年采购内部碳化矽晶圆的比重将达到40%以上,其馀的碳化矽晶圆将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,产量逐渐提升,ST有机会与客户展开技术合作,例如,新兴的高人气电动汽车迅速采纳了ST的碳化矽元件。客户给予的反??让ST能够进一步优化制程技术,改善产品的电气性能,以推出更高效、更稳定的产品,接着进提升产品的采用率,形成良性循环。现在,ST正为客户提供额定电压1200 V、电阻率3.3 mΩx cm2的SiC MOSFET。


碳化矽:工程师的未来期??

矽、碳化矽,以及氮化??

在讨论碳化矽的发展未来时,工程师须考量到宽能隙电晶体的背景。的确,随着氮化??的出现,设计者到底应该如何看待碳化矽?答案与每种材料的电性能相关。就像碳化矽不能代替矽一样,氮化??也不能代替碳化矽,虽然在应用上可能有一些交叉,但在大多数应用中,每种材料都赋予新的设计,因此,这三种材料是优势互补的关系。在过去的25年里,ST在碳化矽方面获得70项专利,还证明这项新技术根本不会威胁到矽。


今天和未来的工程师必须了解矽、碳化矽和氮化??在半导体产业中所扮演的角色,例如,碳化矽在动力马达逆变器或汽车DC-DC转换器中大放异彩,这些应用的汇流排电压为400 V或800 V,分别需要600 V和1200 V的 MOSFET。


此外,碳化矽更容易驱动,由於热特性隹,使碳化矽比氮化??更耐高温,而且,动力马达逆变器无法承受氮化??更高开关频率的优势,所以,汽车设计者更倾向於选用碳化矽。另一方面,研发团队目前正在用氮化??设计电压较低(在100v到600v之间)的应用。此外,在一些工业或消费性应用中,氮化??更快的开关速度对提升效能的作用显着。同样,当企业不能从氮化??或碳化矽更好的效能获益时,矽基元件仍然是一个相较适合的选择。


迈入新时代

经过25年的发展,碳化矽变得越来越成熟。因此,业界不会看到电阻率像以前那样大幅下降,但会看到更稳定可靠的产品。随着ST晶圆厂试验更大的晶圆和新制程,成本将继续下降。事实上,ST正在投资研发碳化矽基板技术,提升品质,优化产能。直接的结果是,业界可以期待更高的产能和更低的成本,推动碳化矽采用率提升。因此,经过25年的发展,ST的碳化矽正进入一个民主化和变革的新时代。


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