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硅（SiC ），今天，碳化硅正在彻底改变电动汽车。

为了庆祝ST研发碳化硅25週年，我们决定探讨碳化硅在当今半导体产业中所扮演的角色、碳化硅的研发歷程，以及未来发展方向。Exawatt的一项研究指出，到2030年，将有高达70%的纯电动车将採用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，瞭解碳化硅过去25年的发展歷程极其重要，对今天和未来的工程师将大有裨益。


碳化硅：半导体产业如何克服技术挑战


图一 : 阻碍碳化硅的发展的难题，在于沒有人知道如何能在半导体晶圆厂达到碳化硅商用化。
图一 : 阻碍碳化硅的发展的难题，在于沒有人知道如何能在半导体晶圆厂达到碳化硅商用化。

碳化硅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。碳化硅特性在20世纪初就已经确立，而第一个碳化硅发光二极体需追溯到1907年。物理学家知道，碳化硅的能隙更宽，比硅宽约2ev，这意味着在室温下碳化硅元件的临界场强是硅基元件的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

阻碍碳化硅的发展的难题是，直到1996年，都沒有人知道如何能在半导体晶圆厂达到碳化硅商用化，因为碳化硅基板缺陷太多，而且烤箱的高温与碳化硅材料不能相容。此外，半导体产业又耗费了十年时间，才能在两吋以上的晶圆上制造碳化硅元件，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，投入鉅资研发碳化硅，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吋晶圆上制造了碳化硅二极体，2007年开始量产第一代碳化硅二极体。


发展蓝图

2009年，碳化硅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，成为碳化硅歷史上一个重要的里程碑。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吋晶圆，并已计画在8吋晶圆上生产碳化硅电晶体。


碳化硅：在现今十分重要的原因

取得信任的最佳方式

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

从碳化硅的研发歷史来看，率先消弭基本障碍具有重要意义。作为用碳化硅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硅元件的新解决方案。此外，ST的卡塔尼亚厂跻身世界上最大的碳化硅晶圆厂之列，拥有从6吋晶圆升级到8吋晶圆的制造设备。因此，碳化硅早期投资带来回报，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吋晶圆生产缐正在量产碳化硅旗舰产品，中国深圳和摩洛哥Bouskoura后段制程则负责封装测试。透过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年採购内部碳化硅晶圆的比重将达到40%以上，其馀的碳化硅晶圆将从其他供应商处採购。


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採纳了ST的碳化硅元件。客户给予的反馈让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，接着进提升产品的採用率，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。


碳化硅：工程师的未来期望

硅、碳化硅，以及氮化鎵

在讨论碳化硅的发展未来时，工程师须考量到宽能隙电晶体的背景。的确，随着氮化鎵的出现，设计者到底应该如何看待碳化硅？答案与每种材料的电性能相关。就像碳化硅不能代替硅一样，氮化鎵也不能代替碳化硅，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在碳化硅方面获得70项专利，还证明这项新技术根本不会威胁到硅。


今天和未来的工程师必须瞭解硅、碳化硅和氮化鎵在半导体产业中所扮演的角色，例如，碳化硅在动力马达逆变器或汽车DC-DC转换器中大放异彩，这些应用的匯流排电压为400 V或800 V，分別需要600 V和1200 V的 MOSFET。


此外，碳化硅更容易驱动，由于热特性佳，使碳化硅比氮化鎵更耐高温，而且，动力马达逆变器无法承受氮化鎵更高开关频率的优势，所以，汽车设计者更倾向于选用碳化硅。另一方面，研发团队目前正在用氮化鎵设计电压较低（在100v到600v之间）的应用。此外，在一些工业或消费性应用中，氮化鎵更快的开关速度对提升效能的作用显着。同样，当企业不能从氮化鎵或碳化硅更好的效能获益时，硅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，碳化硅变得越来越成熟。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正在投资研发碳化硅基板技术，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，推动碳化硅採用率提升。因此，经过25年的发展，ST的碳化硅正进入一个民主化和变革的新时代。